(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空条件下に導入し、所定の電圧をかけることにより放電させ、イオン化した反応ガス雰囲気中で、銅を主原料として形成したターゲットをスパッタし、該ターゲットから放出されたスパッタ粒子を基材の表面に堆積させる銅膜の成膜方法であって、
前記反応ガスはアルゴンガスであり、
銅の純度が９９．９重量％以上、且つ結晶粒径が２００μｍ以下である前記ターゲットを用い、
前記基材の表面に、
表面粗さが２．２ｎｍ以下、Ｃｕ膜抵抗率が１．４μΩｃｍ以下、並びに
数式１及び２で算出される、組成する結晶子の大きさの偏差が０．４以下である銅膜を成膜する
銅膜の成膜方法。
【数１】
0005995811.tif 000004
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、液晶ディスプレイに代表されるフラットパネル表示素子を構成する金属薄膜、半導体素子製造用のマスクを構成する遮光膜、ＬＳＩ等の半導体素子を構成する金属配線、及び、磁気記録媒体を構成する金属膜などを高純度銅で形成した銅膜の成膜方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上述したような銅膜等の薄膜を被スパッタリング物に形成するための方法としてスパッタリング法が使用されている。
【０００３】
スパッタリング法は、スパッタリングターゲットを、被スパッタリング物に対向する形でセットし、真空条件下にて、Ａｒ等のガスを流し、被スパッタリング物とスパッタリングターゲットの間に所定の電圧をかけることにより放電させ、イオン化したＡｒをスパッタリングターゲットに衝突させることにより、被スパッタリング物上にスパッタリングターゲットと同じ組成の薄膜を形成する成膜方法である。
【０００４】
このような薄膜は、それぞれの目的に応じたプロセスを経て被スパッタリング物としての半導体素子、磁気記録媒体、半導体素子製造用のマスク、液晶ディスプレイ等の構成部に成膜することができる。
【０００５】
被スパッタリング物に形成した薄膜の電気抵抗が増大した場合には、処理信号の遅延の要因となり、被スパッタリング物に形成した薄膜の電気抵抗を所望の値以下に低減することは、処理信号の高速化、複雑化に対応するうえでも重要である。
【０００６】
このような背景の下、スパッタリングにより大型基板に回路を形成する時に発生するアーキング・スプラッシュやダストによる回路の欠損による製品歩留まり低下を防止するため、スパッタリング条件に着目してスパッタリングプロセスにおけるアーキング・スプラッシュの抑制、ダストの生成防止、また回路微細化に対応すべくステップカバレッジの向上を図ることについて、従来より重点が置かれていた。  
例えば、特許文献１の「スパッタ方法及びそのスパッタ装置」もその１つである。
【０００７】
しかし、スパッタリング条件を検討することのみによっては、被スパッタリング物に形成した薄膜の膜厚均一性をある程度まで向上させることができても、薄膜の電気抵抗を所望の値以下にまで確実、且つ安定して低減するには限界があった。
【０００８】
なお、従来より、スパッタリング条件に加えてスパッタリング材自体の特性に着目した様々な提案もなされているが、その殆どは、スパッタリング法により形成した薄膜の膜厚の均一性の向上を図るという漠然とした課題や、スパッタリング時の成膜速度の向上を図るという薄膜の品質に関係しない課題に対して行われているものが殆どであり、スパッタリング法により形成した薄膜の電気抵抗を所望の値以下にまで確実、且つ安定して低下させるということについて主眼が置かれていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平７−２２４３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこでこの発明は、スパッタリング法により被スパッタリング物に対して形成する銅膜の電気抵抗を所望の値以下にまで従来よりも確実、且つ安定して低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は、真空条件下に導入し、所定の電圧をかけることにより放電させ、イオン化した反応ガス雰囲気中で、銅を主原料として形成したターゲットをスパッタし、該ターゲットから放出されたスパッタ粒子を基材の表面に堆積させる銅膜の成膜方法であって、前記反応ガスはアルゴンガスであり、銅の純度が９９．９重量％以上、且つ結晶粒径が２００μｍ以下である前記ターゲットを用い、前記基材の表面に、表面粗さが２．２ｎｍ以下、Ｃｕ膜抵抗率が１．４μΩｃｍ以下、並びに数式１及び２で算出される、組成する結晶子の大きさの偏差が０．４以下である銅膜を成膜することを特徴とする。
【００１２】
【数１】
0005995811.tif 000002
【００１３】
本発明は、例えば、スパッタリングプロセスにおけるアーキング・スプラッシュの抑制、ダストの発生防止、或いはステップカバレッジの向上を図るために従来から着目されているスパッタリング条件に着目するよりも、被スパッタリング物に形成した銅膜の電気抵抗に直接的に関連する銅膜の表面粗さ、被スパッタリング物に形成した銅膜を組成する結晶子の大きさの偏差、及び銅膜の電気抵抗に着目した発明であり、被スパッタリング物に形成する銅膜の表面粗さが２．２ｎｍ以下、Ｃｕ膜抵抗率が１．４μΩｃｍ以下、並びに数式１及び２で算出される、組成する結晶子の大きさの偏差が０．４以下になるように、銅の純度が９９．９重量％以上、且つ結晶粒径が２００μｍ以下である前記ターゲットを、真空条件下に導入し、所定の電圧をかけることにより放電させ、イオン化した反応ガス雰囲気中でスパッタすることにより、所望の薄膜をより確実、且つ安定して得ることができ、処理信号の高速化、複雑化に対応することができる。
【００１４】
ここで前記表面粗さは、「ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１」に規定する算術平均粗さ（Ｒａ）を示すものとする。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、スパッタリング法により被スパッタリング物に対して形成する銅膜の電気抵抗を所望の値以下にまで従来よりも確実、且つ安定して低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ターゲット結晶粒径とＣｕ膜表面粗さとの関係を示すグラフ。
【図２】ターゲット結晶粒径とＣｕ膜結晶子の大きさの偏差との関係を示すグラフ。
【図３】Ｃｕ膜表面粗さとＣｕ膜抵抗率との関係を示すグラフ。
【図４】Ｃｕ膜結晶子の大きさの偏差とＣｕ膜抵抗率との関係を示すグラフ。
【図５】ターゲット結晶粒径とＣｕ膜抵抗率との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
この発明の一実施形態を以下図面に基づいて詳述する。  
本実施形態では、スパッタリング法により被スパッタリング物に対して形成する銅膜の電気抵抗を所望の値以下にまで従来よりも確実、且つ安定して低減するという目的を、被スパッタリング物に形成した銅膜の表面粗さと結晶子の大きさの偏差に着目し、これら銅膜の表面粗さと結晶子の大きさの偏差が所望の値を満たすように、ターゲット材を形成し、このようなターゲット材を用いてスパッタリング法により被スパッタリング物に対して銅膜を形成することにより実現した。
【００１８】
すなわち、本実施形態では、スパッタリングプロセスにおけるアーキング・スプラッシュの抑制や、ステップカバレッジの向上を図るために従来より検討されているスパッタリング条件に着目するよりも、銅膜の電気抵抗に密接に関連するとともに、直接的に影響を及ぼすパラメータである、スパッタリング法により被スパッタリング物に形成する銅膜の表面粗さと銅膜を組成する結晶子の大きさの偏差に着目する。
【００１９】
さらに、これら銅膜の表面粗さと銅膜を組成する結晶子の大きさの偏差は、被スパッタリング物に形成した膜が有する所望の品質として、電気抵抗を所望の値以下に抑制するために、直接的に薄膜の電気抵抗の値を用いるよりもさらに具現化して表すことができる。
【００２０】
よって、被スパッタリング物に形成した銅膜が有する所望の品質を示す条件として、銅膜の表面粗さと銅膜を組成する結晶子の大きさの偏差に着目することで、これらの条件を満たすように、スパッタリング条件やターゲットを組成する結晶粒径などを設定し易くなる。
【００２１】
詳しくは、被スパッタリング物に形成した銅膜の品質向上、又は薄膜の断線等の問題を防ぐため、従来より様々な検討がなされているが、それらは例えば、アーキング・スプラッシュの抑制、ダストの発生防止などスパッタリングプロセスの際に発生する課題に着目したもの、薄膜の膜厚を均一に形成するという漠然とした薄膜の品質向上の効果が謳われているに留まるものであり、いずれも上述した課題を解決するためにスパッタリング条件の見直しに留まるものであった。
【００２２】
すなわち、スパッタリングプロセスにおけるスパッタリング条件は、該薄膜の電気抵抗に密接に関連し、直接的に影響を及ぼすパラメータとはいえないため、従来から行われているスパッタリング条件の見直しのみでは、スパッタリング法により形成した薄膜の電気抵抗を所望の値以下にまで確実、且つ安定して抑えることまで実現することが困難であった。
【００２３】
また、スパッタリング法により形成した銅膜の膜厚の均一性をどの程度まで向上させれば、銅膜の電気抵抗を所望の値以下にまで確実に低減することができるかについて明確化することが困難である。
【００２４】
これに対して、本実施形態では、被スパッタリング物に形成した銅膜の表面粗さが２．４ｎｍ以下、好ましくは、２．２ｎｍ以下に設定するとともに、銅膜を組成する結晶子の大きさの偏差が０．５５以下、好ましくは、０．５０以下、より好ましくは、０．４０以下に設定し、これらの範囲を満たすように形成したターゲットを反応ガス雰囲気中でスパッタし銅膜を形成する。
【００２５】
具体的には、銅膜の表面粗さと銅膜を組成する結晶子の大きさの偏差が上述した範囲を満たすように、平均結晶粒径が４００μｍ以下である再結晶組織を有し、銅の純度が９９．９重量％（ｗｔ％）以上に形成したスパッタリング用銅ターゲットを用いてスパッタしている。
【００２６】
以上により、この成膜された銅膜に関して上述のように設定した範囲を満たすように、被スパッタリング物に対してスパッタすることができ、結果的に所望の値以下の電気抵抗の銅膜をより確実、且つ安定して得ることができる。
【００２７】
なお、上述した薄膜を組成する結晶子の大きさの偏差は、  
（偏差）＝｛結晶子最大大きさ−結晶子最小大きさ｝÷（結晶子平均大きさ）÷２  
（結晶子平均大きさ）＝｛結晶子最大大きさ＋結晶子最小大きさ｝÷２  
であらわされる。
（効果確認試験）  
以下では、本実施形態の有効性を検証する効果確認試験について説明する。  
本効果確認試験では、以下の要領で銅ターゲットに対してスパッタを行った。  
まず、銅ターゲットと、被スパッタリング物として、絶縁性を有する基板とを真空処理室内に対向した状態で配置し、真空処理室内を真空ポンプで排気し、真空処理室内に、反応ガスとしてアルゴンガスを供給する。
【００２８】
図示しない電源部により、反応ガス雰囲気中で金属ターゲットに所定のマイナスの印加電圧を印加し、スパッタ放電を生じさせて、不活性ガス原子をイオン化し、ターゲットをスパッタする。
【００２９】
このとき、放電（プラズマ）が発生した場合における金属ターゲットの放電電圧が、所定の電圧の値となるように、反応ガスの反応ガス供給量を調節しながら印加する。
【００３０】
なお、電源部は、上述のように、ターゲットに所定の電圧を印加させる構成に限らず、電極板を介して所定の直流電圧又は交流電圧を発生さて所定の電圧を印加させる構成であってもよい。
【００３１】
このようなスパッタによりターゲットから放出されたスパッタ粒子は、基板に達してターゲットの材料よりなる銅膜を基板に堆積させていき、基板に銅膜を作成する。
【００３２】
（スパッタリング条件）  
到達真空度：５×１０−５［Ｐａ］
Ａｒ流量  ０．５［Ｐａ］
印加電流  ８００［ｍＡ］
放電電圧  ４５０［Ｖ］
スパッタリングレート  平均  １３［ｎｍ／ｓ］
このようなスパッタリング法を、表１に示すように実施例１〜６のように設定したターゲット材の平均結晶粒径に応じて行った。その結果は、表１、並びに図１乃至図５のグラフのとおりである。
【００３３】
【表１】
0005995811.tif 000003
表１は、本実施例１〜７のターゲット材を組成する結晶の粒径を示すとともに、本実施例１〜７のターゲット材のそれぞれを用いて基板に形成した銅膜の表面粗さと、結晶子の大きさのそれぞれバラつき、平均値、偏差と、抵抗率を示す。
【００３４】
また、図１は実施例１〜７におけるターゲット結晶粒径（ＴＧ結晶粒径）［μｍ］とＣｕ膜表面粗さ（Ｒａ）［ｎｍ］との関係を示す。図２は実施例１〜７におけるＴＧ結晶粒径［μｍ］とＣｕ膜結晶子の大きさのばらつき（偏差）［−］との関係を示す。図３は実施例１〜７におけるＣｕ膜抵抗率［μΩｃｍ］とＣｕ膜表面粗さ（Ｒａ）［ｎｍ］との関係を示す。図４は実施例１〜７におけるＣｕ膜抵抗率［μΩｃｍ］とＣｕ膜結晶子の大きさの偏差［−］との関係を示す。図５は実施例１〜７におけるＣｕ膜抵抗率［μΩｃｍ］とＴＧ結晶粒径［μｍ］との関係を示す。
【００３５】
まず、図５に示すように、ＴＧ結晶粒径がいずれも４００［μｍ］より大きい実施例６，７の場合には、Ｃｕ膜抵抗率が所望の値である１．５［μΩｃｍ］より大きくなったのに対して、ＴＧ結晶粒径がいずれも４００［μｍ］以下を満たす実施例１〜５の場合にはいずれも、Ｃｕ膜抵抗率が最終的に所定の抵抗率が１．５［μΩｃｍ］以下となった。
【００３６】
さらに、図５に示すように、ＴＧ結晶粒径がいずれも２００［μｍ］より大きい実施例５〜７の場合には、Ｃｕ膜抵抗率がより好ましい所望の値である１．４［μΩｃｍ］より大きくなったのに対して、ＴＧ結晶粒径がいずれも２００［μｍ］以下を満たす実施例１〜４の場合にはいずれも、Ｃｕ膜抵抗率が最終的により好ましい所望の抵抗率が１．４［μΩｃｍ］以下となった。
【００３７】
そして、スパッタリング法により形成した銅膜の電気抵抗に関する結果に着目すると、図１に示すように、実施例６，７のように、ＴＧ結晶粒径がいずれも４００［μｍ］より大きい場合には、Ｃｕ膜表面粗さ（Ｒａ）が２．４［ｎｍ］より大きくなったのに対して、実施例１〜５のように、ＴＧ結晶粒径がいずれも４００［μｍ］以下を満たす場合には、Ｃｕ膜表面粗さ（Ｒａ）が２．４［ｎｍ］以下を満たす値となった。
【００３８】
さらに、図１に示すように、実施例５〜７のように、ＴＧ結晶粒径がいずれも２００［μｍ］より大きい場合には、Ｃｕ膜表面粗さ（Ｒａ）が２．２［ｎｍ］より大きくなったのに対して、実施例１〜４のように、ＴＧ結晶粒径がいずれも２００［μｍ］以下を満たす場合には、Ｃｕ膜表面粗さ（Ｒａ）が２．２［ｎｍ］以下を満たす値となった。
【００３９】
一方、図３に示すように、Ｃｕ膜抵抗率が最終的に所定の抵抗率１．５［μΩｃｍ］よりも大きくなるのは、実施例６，７のように、Ｃｕ膜表面粗さ（Ｒａ）が２．４［ｎｍ］より大きくなる場合であったのに対して、Ｃｕ膜抵抗率が最終的に所定の抵抗率１．５［μΩｃｍ］以下となるのは、実施例１〜５のように、Ｃｕ膜表面粗さ（Ｒａ）が２．４［ｎｍ］以下となる場合であった。
【００４０】
さらに、図３に示すように、Ｃｕ膜抵抗率が最終的により望ましい所定の抵抗率１．４［μΩｃｍ］よりも大きくなるのは、実施例５〜７のように、Ｃｕ膜表面粗さ（Ｒａ）が２．２［ｎｍ］より大きくなる場合であったのに対して、Ｃｕ膜抵抗率が最終的に、より望ましい所定の抵抗率１．４［μΩｃｍ］以下となるのは、実施例１〜４のように、Ｃｕ膜表面粗さ（Ｒａ）が２．２［ｎｍ］以下となる場合であった。
【００４１】
上述した結果のとおり、図３に示すように、Ｃｕ膜表面粗さ（Ｒａ）が２．４［ｎｍ］以下を満足するように、ターゲットに対してスパッタすることにより、図３に示すように、Ｃｕ膜抵抗率が１．５［μΩｃｍ］以下という所望の結果を得ることができることが明らかとなり、この結果と上述した図５に示す結果により、結果的に、図１に示すように、Ｃｕ膜表面粗さ（Ｒａ）が２．４［ｎｍ］以下を満足するように、ターゲット材の結晶粒径を４００［μｍ］以下に設定する必要があることが明らかとなった。
【００４２】
さらに、図３に示すように、Ｃｕ膜表面粗さ（Ｒａ）が２．２［ｎｍ］以下を満足するように、ターゲットに対してスパッタすることにより、図３に示すように、Ｃｕ膜抵抗率が１．４［μΩｃｍ］以下という、より望ましい所望の結果を得ることができることが明らかとなり、この結果と上述した図５に示す結果により、結果的に図１に示すように、Ｃｕ膜表面粗さ（Ｒａ）が２．２［ｎｍ］以下を満足するように、ターゲット材の結晶粒径を２００［μｍ］以下に設定することが好ましいことが明らかとなった。
【００４３】
またこのように、Ｃｕ膜表面粗さ（Ｒａ）は、Ｃｕ膜抵抗率よりも計測誤差の影響を受け難く、正確、且つスムーズに計測できるため、Ｃｕ膜表面粗さ（Ｒａ）を基にターゲット材の結晶粒径を設定することで、薄膜の電気抵抗を所望の値以下にまで確実、且つ安定して抑えることができた。
【００４４】
続いて、スパッタリング法により形成した銅膜を組成する結晶子の大きさの偏差に関する結果に着目すると、図２から明らかなとおり、実施例６，７のように、ＴＧ結晶粒径がいずれも４００［μｍ］より大きい場合には、Ｃｕ膜結晶子の大きさの偏差が０．５より大きくなったのに対して、実施例１〜５のように、ＴＧ結晶粒径がいずれも４００［μｍ］以下を満たす場合には、Ｃｕ膜結晶子の大きさの偏差が０．５以下となった。
【００４５】
さらに、図２に示すように、実施例５〜７のように、ＴＧ結晶粒径がいずれも２００［μｍ］より大きい場合には、Ｃｕ膜結晶子の大きさの偏差が０．４より大きくなったのに対して、実施例１〜４のように、ＴＧ結晶粒径がいずれも２００［μｍ］以下を満たす場合には、Ｃｕ膜結晶子の大きさの偏差が０．４以下となった。
【００４６】
一方、図４に示すように、Ｃｕ膜抵抗率が最終的に所定の抵抗率１．５［μΩｃｍ］よりも大きくなるのは、実施例６，７のように、Ｃｕ膜結晶子の大きさの偏差が０．５より大きくなる場合であったのに対して、図４から明らかなとおり、Ｃｕ膜抵抗率が最終的に所定の抵抗率１．５［μΩｃｍ］以下となるのは、実施例１〜５のように、Ｃｕ膜結晶子の大きさの偏差が０．５以下となる場合であった。
【００４７】
さらに、図４に示すように、Ｃｕ膜抵抗率が最終的により望ましい所定の抵抗率１．４［μΩｃｍ］よりも大きくなるのは、実施例５〜７のように、Ｃｕ膜結晶子の大きさの偏差が０．４より大きくなる場合であったのに対して、図４から明らかなとおり、Ｃｕ膜抵抗率が最終的により望ましい所定の抵抗率１．４［μΩｃｍ］以下となるのは、実施例１〜４のように、Ｃｕ膜結晶子の大きさの偏差が０．４以下となる場合であった。
【００４８】
上述した結果のとおり、図４に示すように、Ｃｕ膜結晶子の大きさの偏差が０．５以下を満足するように、ターゲットに対してスパッタすることにより、図４に示すように、Ｃｕ膜抵抗率が１．５［μΩｃｍ］以下という所望の結果を得ることができることが明らかとなり、この結果と上述した図５に示す結果により、結果的に、図２に示すように、Ｃｕ膜結晶子の大きさの偏差が０．５以下を満足するように、ターゲット材の結晶粒径を４００［μｍ］以下に設定する必要があることが明らかとなった。
【００４９】
さらに、図４に示すように、Ｃｕ膜結晶子の大きさの偏差が０．４以下を満足するように、ターゲットに対してスパッタすることにより、図４に示すように、Ｃｕ膜抵抗率が１．４［μΩｃｍ］以下というより望ましい所望の結果を得ることができることが明らかとなり、この結果と上述した図５に示す結果により、結果的に、図２に示すように、Ｃｕ膜結晶子の大きさの偏差が０．４以下を満足するように、ターゲット材の結晶粒径を２００［μｍ］以下に設定することが好ましいことが明らかとなった。
【００５０】
またこのように、Ｃｕ膜結晶子の大きさの偏差は、Ｃｕ膜抵抗率よりも計測誤差の影響を受け難く、正確、且つスムーズに計測できるため、Ｃｕ膜結晶子の大きさの偏差を基にターゲット材の結晶粒径を設定することで、薄膜の電気抵抗を所望の値以下にまで確実、且つ安定して抑えることができた。
【００５１】
この発明の構成と、実施形態との対応において、この発明の基材は、実施形態の基板に対応するもこの発明は上述した実施形態に限定されず、様々な形態で構成することができる。
【図１】
0005995811.tif 000005
【図２】
0005995811.tif 000006
【図３】
0005995811.tif 000007
【図４】
0005995811.tif 000008
【図５】
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