(57)【要約】【課題】ＬＳＩなどの半導体装置における配線となる薄膜をメッキにより形成する際の下地層となるシード層形成用スパッタリングターゲットおよびそのターゲットを用いて形成したシード層に関するものである。【解決手段】Ｃｒ：０．０３〜０．３質量％、Ｚｒ：０．００５〜０．１質量％を含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる組成を有する銅合金からなる。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｒ：０．０３〜０．３質量％、Ｚｒ：０．００５〜０．１質量％を含み、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる組成を有する銅合金からなることを特徴とする半導体装置配線シード層形成用銅合金スパッタリングターゲット。
【請求項２】
Ｃｒ：０．０３〜０．３質量％、Ｚｒ：０．００５〜０．１質量％を含み、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる組成を有する銅合金からなることを特徴とする半導体装置配線シード層。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、ＬＳＩなどの半導体装置におけるエレクトロマイグレーションやストレスマイグレーション耐性に優れた銅配線を形成する際に下地層となるシード層を得るための銅合金スパッタリングターゲットおよびこのターゲットを用いて形成したシード層に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＬＳＩなどの半導体デバイスの内部配線は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮなどの基板またはＳｉウエハの表面にＳｉＯ２、ＳｉＯＮなどを被覆したものを基板とし、その上に純度：９９．９９９９質量％以上の高純度銅からなるターゲットまたはＴｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｙ，ＬａおよびＳｃのうちの種または２種以上：０．００００５〜０．０２５質量％含有した銅合金からなるターゲットを用いてスパッタリングすることにより形成されている。この高純度銅または銅合金からなる配線をＳｉＯ２、ＳｉＯＮなどの基板に形成するには、まず基板に微細な配線溝を形成しておき、その上面に銅薄膜をスパッタリング法によって堆積せしめ、しかる後に堆積した銅薄膜を５５０℃以下の低温度で加熱流動（リフロー）せしめて前記配線溝に流し込み、過剰量の銅薄膜を研磨処理によって除去することによって所定の微細な銅配線を形成する加熱リフロー処理（ダマシン処理）することにより形成されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、Ｃｕ配線の場合はＣｕが基板に拡散すること防止するためのバリア層を形成することが必要であり、このバリア層としてＴａＮ層が有効であることが明らかになった。そのため、近年、基板に微細な銅配線を形成するには、図１に示されるように、基板１に形成した微細な配線溝２にＴａＮ層３を形成し、このＴａＮ層３の上に純銅からなるシード層４をスパッタリングにより形成し、この純銅からなるシード層４の上に電解メッキ法により銅メッキ層５をしたのち、銅メッキ層５の安定化のために熱処理を行い、次いで過剰量のＴａＮ層３、シード層４および銅メッキ層５を研磨処理によって除去することにより図２の断面説明図に示される所定の微細な銅配線６を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１７６７６９号公報
【特許文献２】
特開２００１−３４２５６０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようにして得られた銅配線は微細化するに伴い、銅配線を流れる電流密度が増大し、それに伴って銅配線にエレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションによるボイドが生成して銅配線の電気抵抗が増加し、さらにエレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションにより生成したボイドがさらに成長して銅配線が断線することがある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者は、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションによる銅配線のボイド発生を少なくすべく研究を行った。その結果、
（イ）エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションによる銅配線のボイド発生はシード層とＴａＮ層の界面から生じることが多いところから、このボイド発生を防止するためにはＴａＮ層の上に形成されたシード層を加熱してもシード層に凝集やボイドが発生しない程度にＴａＮ層とシード層の界面の密着性を向上させることが必要である、
（ロ）かかるＴａＮ層との密着性に優れたシード層は、純度：９９．９９９９％以上の高純度銅にＣｒ：０．０３〜０．３質量％、Ｚｒ：０．００５〜０．１質量％を添加して得られた銅合金からなるターゲットを用いてスパッタリングすることにより得られ、ターゲットとほぼ同じ成分組成を有する、
（ハ）このＣｕ合金シード層をバリア層であるＴａＮ層の上に形成し、そのＣｕ合金シード層の上に形成した銅配線は、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションによるボイド発生が少なくなるので断線の数を大幅に少なくすることができる、などの知見を得たのである。
【０００６】
この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
（１）Ｃｒ：０．０３〜０．３質量％、Ｚｒ：０．００５〜０．１質量％を含み、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる組成を有する銅合金からなる半導体装置配線シード層形成用銅合金スパッタリングターゲット、
（２）Ｃｒ：０．０３〜０．３質量％、Ｚｒ：０．００５〜０．１質量％を含み、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる組成を有する銅合金からなる前記（１）記載のターゲットを用いて形成された半導体装置配線シード層、に特徴を有するものである。
【０００７】
この発明の半導体装置配線シード層形成用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を、不活性ガス雰囲気中、高純度グラファイトルツボ内で高周波溶解し、得られた高純度電解銅にＣｒ：０．０３〜０．３質量％、Ｚｒ：０．００５〜０．１質量％を添加して銅合金溶湯を作製し、得られた銅合金溶湯を鋳造して板状インゴットを作製し、このインゴットを熱間圧延して熱延板を作製し、この熱延板を切り抜いて円板を作製することにより製造することができる。
この発明の半導体装置配線シード層形成用銅合金スパッタリングターゲットを用い、通常の方法でスパッタすることにより得られる膜はターゲットとほぼ同じ成分組成を有し、したがって、この発明のターゲットを用いて形成したこの発明のシード層はＣｒ：０．０３〜０．３質量％、Ｚｒ：０．００５〜０．１質量％を含み、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる組成を有する。
【０００８】
次に、この発明の半導体装置配線シード層形成用銅合金スパッタリングターゲットおよびシード層における成分組成の限定理由を説明する。
ＣｒはＴａとの固溶度を持つことからＴａとの濡れ性が高く、Ｃｕ中へ含有させることによりＴａＮ層との密着性を高める作用を奏し、またＺｒはＣｕ中の粒界、転位などＣｕの拡散経路になりやすい部分に析出してＣｕの自己拡散を防止しボイドの発生を防ぐ効果があるので、ＣｒおよびＺｒを組み合わせてＣｕに添加した銅合金スパッタリングターゲットを作製し、この銅合金スパッタリングターゲットを用いてスパッタすることによりシード層を形成し、このシード層を用いることにより効果的にエレクトロマイグレーションおよびストレスマイグレーションに強いＣｕ配線を形成することができる。しかし、Ｃｒの含有量が０．０３質量％未満ではＴａＮ層に対する十分な密着性を高める効果が得られず、一方、０．３質量％を越えて含有すると、電気抵抗が高くなるので好ましくない。また、Ｚｒは０．００５％未満では十分な析出が起こらないために拡散防止効果が得られず、一方、Ｚｒが０．１％を越えて含有すると、電気抵抗が高くなってしまうので好ましくない。したがって、この発明の半導体装置配線シード層形成用銅合金スパッタリングターゲットに含まれるＣｒは０．０３〜０．３質量％（一層好ましくは０．０５〜０．１５質量％）、Ｚｒは０．００５〜０．１質量％（一層好ましくは０．０１〜０．０５質量％）に定めた。
【０００９】
【発明の実施の態様】
つぎに、この発明の半導体装置配線シード層形成用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％の高純度電解銅を用意し、この高純度電解銅をＡｒガス雰囲気中、高純度グラファイトルツボ内で高周波誘導溶解して高純度電解銅溶湯を作製し、このようにして得られた高純度電解銅溶湯にＣｒおよびＺｒを添加することにより銅合金溶湯を作製し、これら銅合金溶湯を水冷銅板上に載置されたカーボン鋳型に鋳造して引け巣部分を切断したのち、縦：１４０ｍｍ、横：１４０ｍｍ、厚さ：２０ｍｍの寸法を有する板状インゴットを作製した。このインゴットを温度：５００℃、１時間加熱後、厚さ：８ｍｍになるまで熱間圧延して熱延板を作製し、この熱延板を切り抜いて直径：１５２ｍｍ、厚さ：８ｍｍの寸法を有する円板を作製した。これら円板をさらに機械加工することにより直径：１５２ｍｍ、厚さ：６ｍｍの寸法を有し、表１〜２に示される成分組成を有する本発明銅合金シード層形成用ターゲット（以下、本発明ターゲットという）１〜１５および比較銅合金シード層形成用ターゲット（以下、比較ターゲットという）１〜５を作製した。
さらに高純度電解銅、並びに高純度電解銅にＺｒ：０．０５質量％または高純度電解銅にＣｒ：０．１質量％を添加して溶解し鋳造することにより得られた板状インゴットを本発明ターゲット１〜１５および比較ターゲット１〜５と同じ方法で機械加工することにより従来銅合金シード層形成用ターゲット（以下、従来ターゲットという）１〜３を作製した。
【００１０】
さらに、無酸素銅製バッキングプレートを用意し、この無酸素銅製バッキングプレートに前記本発明ターゲット１〜１５、比較ターゲット１〜５および従来ターゲット１〜３をＩｎハンダによりハンダ付けし、バッキングプレート付きターゲットを作製した。
さらに、直径：１５２ｍｍ、厚さ：６ｍｍの寸法を有する市販のＴａターゲットを用意し、このターゲットを無酸素銅製バッキングプレートにＩｎハンダによりハンダ付けし、バッキングプレート付きＴａターゲットを作製した。
さらに、基板としてＳｉウエハ表面に厚さ：１００ｎｍのＳｉＯ２層を形成した酸化膜付きシリコンウエハを用意した。
【００１１】
前記用意したバッキングプレート付きＴａターゲットおよび基板を、通常の直流マグネトロンスパッタ装置に、ターゲットと基体との距離が６０ｍｍとなるように取り付け、
スパッターパワー：ＤＣ１０００Ｗ、
チャンバー内到達真空度：１×１０−５Ｐａ、
スパッタリング中の真空度：０．５Ｐａ、
スパッタリングに使用したガスとその流量比：Ａｒ：Ｎ２＝９：１
の条件でスパッタリングすることにより、厚さ：３０ｎｍを有するＴａＮ膜を基板表面のＳｉＯ２層表面の上に形成した。
【００１２】
このようにして形成したＴａＮ膜上に、本発明ターゲット１〜１５、比較ターゲット１〜５および従来ターゲット１〜３をバッキングプレートに取付けたバッキングプレート付きターゲットを前記直流マグネトロンスパッタ装置に取付け、ターゲットと基体との距離が７０ｍｍとなるようにして、
スパッターパワー：ＤＣ６００Ｗ、
チャンバー内到達真空度：１×１０−５Ｐａ、
スパッタリング中の真空度：０．３Ｐａ、
スパッタリングに使用したガス：Ａｒ、
の条件でスパッタリングすることにより、表１および２に示される成分組成を有し、厚さ：３００ｎｍおよび厚さ：２０ｎｍを有する銅合金スパッタリング薄膜をそれぞれ形成した。これらシード層の成分組成は本発明ターゲット１〜１５、比較ターゲット１〜５および従来ターゲット１〜３の組成とほぼ同一組成を有していた。
【００１３】
本発明ターゲット１〜１５、比較ターゲット１〜５および従来ターゲット１〜３を用いて得られた厚さ：３００ｎｍを有する銅合金スパッタリング薄膜について４探針法により比抵抗を測定し、この結果を表１〜２に示した。この際、ＴａＮ膜の比抵抗は銅合金スパッタリング薄膜に比べて２桁ほど高いので下地であるＴａＮ膜の存在は無視できるものとした。
【００１４】
さらに、ＴａＮ層表面に本発明ターゲット１〜１５、比較ターゲット１〜５および従来ターゲット１〜３を用いて形成した厚さ：２０ｎｍの銅合金スパッタリング薄膜について真空中で４５０℃、３０分間保持の条件の熱処理を施し、熱処理後における銅合金スパッタリング薄膜の表面をＳＥＭにて観察し、２万倍の視野（４．５μｍ×６μｍ）にて観察し、発生したボイドの発生数とボイド径を測定し、これを表１〜２に示すことによりシード層としての評価を行なった。ここで濡れ性が悪く、完全に凝集してしまい、ボイド数として計測不可能なものは「凝集」と記した。
【００１５】
【表１】
2004193551.tif 000002
【００１６】
【表２】
2004193551.tif 000003
【００１７】
表１〜２に示される結果から、本発明ターゲット１〜１５を用いて形成したＴａＮ層上の銅合金スパッタリング薄膜は従来ターゲット１〜３を用いて作製したＴａＮ層上の銅合金スパッタリング薄膜に比べて、凝集がなく、ボイドの発生が少なく、また平均ボイド径が小さいところから、本発明ターゲット１〜１５を用いて形成した銅合金スパッタリング薄膜は従来ターゲット１〜３用いて作製した銅合金スパッタリング薄膜に比べてＴａＮ層の上に形成するシード層として優れていることが分かる。
しかし、この発明の条件から外れている組成の比較ターゲット１〜５を用いてＴａＮ層上に銅合金スパッタリング薄膜を形成すると、ボイドの発生がなくても比抵抗が大きかったりするのでシード層として好ましくない特性を示すことが分かる。
【００１８】
【発明の効果】
この発明のターゲットを用いてＴａＮ膜表面に形成した銅合金スパッタリング薄膜は、ボイド発生、凝集が少ないことから、この銅合金スパッタリング薄膜をＴａＮ層の上に形成してシード層として使用したときにエレクトロマイグレーションやストレスマイグレーション耐性に優れた銅配線を形成することができ、ＬＳＩなどの半導体装置の配線パターンの微細化進展、歩留まりの向上に寄与するものであり、半導体装置産業上優れた効果を奏するものである。
なお、最近、バリア層としてＴａＮの代わりにＴａを用いる場合や、ＴａＮ層の上にさらにＴａ層を積層したものを用いる場合があるが、これらを下地バリア層として用いる場合でも同様の効果を有することが確認できた。したがって、本発明ターゲットを用いることでＴａをバリア層として用いた場合でも、同様にエレクトロマイグレーションやストレスマイグレーション耐性に優れた銅配線を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】配線溝にＴａＮ層およびシード層を形成した基体に銅メッキ層を形成しのち熱処理した状態の断面説明図である。
【図２】過剰なＴａＮ層、シード層および銅メッキ層を研磨処理によって除去した状態の配線溝の断面説明図である。
【符号の説明】
１：基板、
２：配線溝、
３：ＴａＮ層、
４：シード層、
５：銅メッキ層、
６：銅配線、
【図１】
2004193551.tif 000004
【図２】
2004193551.tif 000005