(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
0.7〜1.8at％の範囲の窒素を含有する高純度Ｔａからなり、かつターゲット全体の前記窒素の含有量のバラツキが±30％以内であるスパッタターゲットを用いて、Ｎ2を含むガス中での化相スパッタによりＣｕ配線に対するバリア材であるＴａＮ膜を成膜する工程を具備することを特徴とする配線膜の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の配線膜の製造方法において、
前記スパッタリングターゲット中の窒素は、前記Ｔａ中に固溶した状態およびＴａＮの少なくとも一方として存在することを特徴とする配線膜の製造方法。
【請求項３】
0.7〜1.8at％の範囲の窒素を含有する高純度Ｔａからなり、かつターゲット全体の前記窒素の含有量のバラツキが±30％以内であるスパッタターゲットを用いて、Ｎ2を含むガス中での化相スパッタによりＣｕ配線に対するバリア材であるＴａＮ膜を成膜する工程を有する配線膜の製造工程を具備することを特徴とする電子部品の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の電子部品の製造方法において、
前記配線膜の製造工程は、前記ＴａＮ膜の成膜工程と、前記ＴａＮ膜上に前記Ｃｕ配線を形成する工程とを有することを特徴とする電子部品の製造方法。
【請求項５】
請求項３または請求項４記載の電子部品の製造方法において、
前記電子部品は半導体素子であることを特徴とする電子部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配線膜の製造方法および電子部品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＬＳＩに代表される半導体工業は急速に進捗しつつある。高速ロジックなどの半導体素子においては、高集積化、高信頼性化、高機能化が進むにつれて、微細加工技術に要求される精度も益々高まってきている。このような集積回路の高密度化や高速化などに伴って、ＡｌやＣｕを主成分として形成される金属配線の幅は 1/4μm 以下になりつつある。
【０００３】
一方、集積回路を高速で動作させるためには、Ａｌ配線やＣｕ配線の抵抗を低減することが必須となる。従来の配線構造では、配線の高さを厚くすることで配線抵抗を低減することが一般的であった。しかし、さらなる高集積化・高密度化された半導体デバイスなどでは、これまでの積層構造を用いた際に配線上に形成される絶縁膜のカバレッジ性が悪くなり、当然歩留まりも低下するため、デバイスの配線技術そのものを改良することが求められている。
【０００４】
そこで、従来の配線技術とは異なる、デュアルダマシン（ＤＤ）配線技術を適用することが検討されている。ＤＤ技術とは、予め下地膜に形成した配線溝上に、配線材となるＡｌやＣｕを主成分とする金属をスパッタリング法やＣＶＤ法などを用いて成膜し、熱処理（リフロー）によって溝へ流し込み、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing) 法などにより余剰の配線金属を除去する技術である。
【０００５】
上述したような半導体デバイスなどに用いられる配線材料としては、抵抗率がＡｌに比べて低いＣｕが主流となりつつあり、ロジックなどの半導体デバイスではおおよそＣｕ配線が使用されている。Ｃｕ配線が有利な点としては、Ａｌ配線に比べて耐エレクトロマイグレーション性に優れていることも挙げられる。しかし一方で、ＣｕやＡｕ、Ｆｅといった金属は、シリコン内を格子拡散することから拡散速度が速く、シリコン内に入ると少数キャリアの寿命を短くすることが懸念されている。
【０００６】
このようなことから、Ｃｕ配線を適用する場合には、ＣｕのＳｉ中への拡散防止を目的としたバリアメタル層を設けることが必須である。ここで、半導体素子用のバリアメタルとしてはＴｉＮが使用されてきたが、最近Ｃｕ配線用のバリア材料としてＴａＮが提案され、ＣｕのＳｉ中への拡散防止に対してはＴａＮが有効であることが明らかとなりつつある。
【０００７】
そこで、Ｃｕ配線用のバリア層にはＴａＮを適用する方向に進んでいる。このようなバリア層としてのＴａＮ膜の形成方法としては、従来のＴｉＮ膜と同様に、Ｔａターゲットを用いたＡｒとＮ2 の混合ガスによる化相スパッタ、すなわちＡｒと共にＮ2 + イオンでＴａターゲット表面を衝撃し、ＴａとＮ2 イオンの化合物（ＴａＮ）として飛翔させる化学スパッタリングが主に適用されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＴａターゲットを用いた化相スパッタで得られるＴａＮ膜では、上述したようなＤＤ配線を適用して、その際の配線溝のアスペクト比も 1/4以上になることが予想される次世代のロジックなどに求められる膜の均質性を満足させることが非常に困難な状況にあり、既に限界となりつつある。
【０００９】
例えば、 8インチサイズのＳｉウエハで膜の面内均一性を5%以下に制御することが求められているが、従来のＴａターゲットを用いた化相スパッタでは、そのような条件を満足するＴａＮ膜を再現性よく得ることはできない。
【００１０】
本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、半導体素子のバリア層などとして用いられるＴａＮ膜の面内均一性を例えば5%以下に再現性よく低減することを可能にしたスパッタターゲットを用いることによって、次世代のロジックなどに求められる高精細および高信頼性を満足する配線膜の製造方法、およびそのような配線膜の製造方法を適用した電子部品の製造方法を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決するために、従来のＴａＮ膜について調査した結果、ウエハ上に形成されたＴａＮ膜の抵抗率に大きな差が生じていることが判明した。そこで、抵抗率が大きく異なる部位についてＸＲＤ解析を行った結果、抵抗率が低い部位ではＴａＮが形成されておらず、Ｔａが存在していることが判明した。また、抵抗率が低い部位と他の部位の膜厚を調べたところ、5%以上の差が生じていた。
【００１２】
これらの原因は、スパッタ装置のチャンバ内のＮ2 量の分布に、ガス導入口とガス出口とで大きな差が生じているため、Ａｒのみによるスパッタで形成された部分がウエハ上に存在し、結果的に膜中に取り込まれるＮ2 量にバラツキが生じることにあることが判明した。このような点に対して、予めＴａターゲット中に適当量の窒素を含有させておくことによって、従来達成することができなかったＴａＮ膜の面内均一性が実現可能であることを見出した。
【００１６】
本発明の配線膜の製造方法は、0.7〜1.8at％の範囲の窒素を含有する高純度Ｔａからなり、かつターゲット全体の前記窒素の含有量のバラツキが±30％以内であるスパッタターゲットを用いて、Ｎ2を含むガス中での化相スパッタによりＣｕ配線に対するバリア材であるＴａＮ膜を成膜する工程を具備することを特徴としている。
【００１７】
本発明の電子部品の製造方法は、0.7〜1.8at％の範囲の窒素を含有する高純度Ｔａからなり、かつターゲット全体の前記窒素の含有量のバラツキが±30％以内であるスパッタターゲットを用いて、Ｎ2を含むガス中での化相スパッタによりＣｕ配線に対するバリア材であるＴａＮ膜を成膜する工程を有する配線膜の製造工程を具備することを特徴としている。本発明の電子部品の製造方法において、前記配線膜の製造工程はＴａＮ膜の成膜工程と、前記ＴａＮ膜上にＣｕ配線を形成する工程とを有することを特徴としている。本発明の電子部品の製造方法は、例えば半導体素子の製造方法である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
【００１９】
本発明のスパッタターゲットは、0.7〜1.8at％の範囲の窒素を含有する高純度Ｔａからなるものである。ここで、Ｔａターゲットに含まれる窒素の存在形態は特に限定されるものではなく、Ｔａ中に固溶した状態であってもよいし、またＴａＮとして存在していてもよい。また、一部はＴａ中に固溶した状態で存在し、他はＴａＮとして存在していてもよい。
【００２０】
このように、適当量の窒素を含有する高純度Ｔａからなるスパッタターゲット（Ｔａターゲット）を用いて、ＴａＮ膜をスパッタ成膜することによって、チャンバ内のＮ2量の分布に差が生じていたとしても、得られるスパッタ膜中の窒素量にバラツキが生じることを抑制することができる。言い換えると、Ｔａターゲットを用いた化相スパッタによって、均一にＴａＮを形成することができる。そして、ＴａＮ膜中の窒素量分布を均一化することによって、膜特性や膜厚の面内均一性を大幅に高めることが可能となる。
【００２１】
本発明のＴａターゲット中に含有させる窒素量は、上述したように0.7〜1.8at％の範囲とする。Ｔａターゲット中の窒素含有が0.7at％未満であると、それを用いてスパッタ成膜したＴａＮ膜中の窒素量分布を均一化する効果が十分に得られない。一方、Ｔａターゲット中の窒素含有が1.8at％を超えると、Ｃｕ系配線とのバリア効果は向上するが、配線を形成した際にＣｕ／ＴａＮの抵抗率が極めて高くなり、高速ロジックなどの配線規格から大きく外れることになる。
【００２２】
このように、Ｔａターゲット中の窒素含有量を0.7〜1.8at％の範囲に制御することによって、化相スパッタによりＴａＮを均質に形成することができ、さらに得られるＴａＮ膜の膜特性や膜厚の面内均一性を、再現性よく例えば5％以下と低減することが可能となる。Ｔａターゲット中の窒素含有量は0.7〜1at％の範囲とすることがさらに好ましい。
【００２３】
また、本発明のスパッタターゲット中の窒素含有量のバラツキは、ターゲット全体として±30% 以内とすることが好ましい。このように、ターゲット全体の窒素含有量のバラツキを低く抑えることによって、それを用いて形成したＴａＮ膜全体として膜特性などを向上させることができる。Ｔａターゲット中の窒素含有量のバラツキは、±15% 以内とすることがさらに好ましい。
【００２４】
すなわち、Ｔａターゲット全体としての窒素含有量のバラツキが±30% の範囲を超えると、それを用いて形成したＴａＮ膜を使用した半導体デバイスなどの均一性に悪影響を及ぼすことになる。現在の半導体デバイスは 8インチＳｉウエハから数万個単位で生産されるため、Ｔａターゲット内の窒素含有量のバラツキがそのままＳｉウエハの配線膜に影響を及ぼし、各半導体デバイスの信頼性にバラツキを生じさせる結果となる。例えば、Ｓｉウエハの端部から生産したデバイスは信頼性が良好であるが、中央から生産したデバイスは信頼性が低いといった問題が発生してしまう。
【００２５】
なお、本発明のスパッタターゲットは、上述した範囲の窒素を含有する高純度Ｔａにより構成されるものであるが、例えば一般的な高純度金属材のレベル程度であれば多少の不純物元素を含んでいてもよい。ただし、例えば配線抵抗の低減などを図る上で不純物元素量は低減することが好ましい。
【００２６】
本発明のスパッタターゲットは、例えば以下のようにして作製される。
【００２７】
例えば、所定量の窒素を含有する純度2N程度のＴａ粉末を用いて、ＨＩＰ法やホットプレス法（ＨＰ法）などの公知の焼結法を適用して焼結体を作製する。焼結雰囲気はＮ2 雰囲気とすることが好ましい。焼結体のサイズは直径 100〜 400mm程度とすることが好ましい。
【００２８】
ここで、所定量の窒素を含有するＴａ粉末（ＴａＮ粉末）は、例えばＮ2 雰囲気中で熱処理したり、ＮＨ3 ＋Ｈ2 雰囲気中で熱処理することにより得ることができる。また、窒素含有量の制御は、高純度Ｔａ粉末と高純度ＴａＮ粉末との混合粉末を出発原料として用い、この混合比を適宜調整することによって実施してもよい。
【００２９】
次に、上記した焼結体に対して再度真空中で 500〜1300℃程度の温度で熱処理を施す。この熱処理によって、ターゲット内の窒素含有量のバラツキを±30% 以内に抑制する。このようにして得られる窒素含有の高純度Ｔａ素材を機械加工し、例えばＣｕやＡｌからなるバッキングプレートと接合する。
【００３０】
ここで、バッキングプレートとの接合には、例えばソルダー接合や拡散接合を適用する。拡散接合を適用する場合には、接合時の温度を 600℃以下とすることが好ましい。これはバッキングプレートの塑性変形を防止するためである。ここで得られた素材を所定サイズに機械加工することによって、本発明のスパッタリングターゲットが得られる。
【００３１】
本発明の配線膜は、前述した本発明のスパッタターゲットを用いて、例えば  ＡｒとＮ2 の混合ガスによる化相スパッタにより成膜してなるＴａＮ膜を具備するものである。このようにして得られるＴａＮ膜は膜特性や膜厚の均一性に優れ、例えば膜面内の均一性を5%以下とすることができる。
【００３２】
このようなＴａＮ膜は、例えばＣｕ配線（Ｃｕ膜またはＣｕ合金膜）のバリア材に好適であり、本発明の配線膜は例えば上記したＴａＮ膜上にＣｕ膜を存在させて構成されるものである。このような配線膜は、例えばＤＤ配線技術を適用する際に、配線膜に求められる均質性を十分に満足するものである。
【００３３】
上記した本発明の配線膜は、半導体素子に代表される各種の電子部品に使用することができる。具体的には、本発明の配線膜を用いたＵＬＳＩやＶＬＳＩなどの半導体素子、さらにはＳＡＷデバイスやＴＰＨなどの電子部品が挙げられる。本発明の電子部品は、このような半導体素子、ＳＡＷデバイス、ＴＰＨなどを含むものである。
【００３４】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例およびその評価結果について述べる。
【００３５】
実施例１
まず、窒素含有量を変化させた 6種類のＴａ粉末を用意し、これらをそれぞれボールミルで24時間混合した後、ホットプレス（ＨＰ）法によりそれぞれ焼結体を作製した。ＨＰ処理条件は、温度1200℃、保持時間 5時間、面圧 25MPaとした。これら各焼結体に1200℃×120minの条件で熱処理を施した。
【００３６】
次いで、各焼結体を機械加工により直径 320mm×厚さ10mmに加工して、窒素含有量が異なる 6種類のＴａ材を作製した。この後、これら各Ｔａ材をＣｕバッキングプレートとソルダー接合して、 6種類のＴａスパッタターゲットを得た。なお、窒素含有量については、通常使用されているＩＣＰ（原子発光分光分析）によって分析した。
【００３７】
このようにして得た 6種類のＴａスパッタターゲットをそれぞれ用いて、スパッタ方式：ＬＴＳスパッタ、背圧： 1×10-5Pa、スパッタガス：Ａｒ＋Ｎ2 、出力ＤＣ：15kW、スパッタ時間：1minの条件下で、予め配線溝を形成したＳｉウエハ(8インチ）上にＴａＮ膜を成膜し、配線溝内を含めて厚さ 0.5μm のバリア層を形成した。その後、Ｃｕターゲットを用いて、上記した条件と同様な条件下でスパッタを実施し、厚さ 1μm 程度のＣｕ膜を形成した。これをリフロー処理によって配線溝に充填した後、ＣＭＰによって配線を形成した。
【００３８】
これらの配線について、各バリア層の膜厚の面内均一性を測定した。その結果をＴａターゲット中の窒素含有量およびそのバラツキと共に表１に示す。
【００３９】
【表１】
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表１から明らかなように、試料1 〜4 の本発明の窒素含有Ｔａターゲットを用いて成膜したＴａＮ膜からなるバリア層は、膜の均一性に優れ、窒素含有量が本発明の範囲を外れる試料5 〜6 のＴａターゲットを用いて成膜したＴａＮ膜と比べて、膜の均一性を5%以下と向上させることが可能であることが判明した。このようなＴａＮバリア層を有する配線膜を適用することによって、製品歩留まりも大幅に向上させることが可能となる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒素含有Ｔａスパッタターゲットによれば、膜特性や膜厚の均一性に優れるＴａＮ膜を得ることができる。従って、このようなスパッタターゲットを用いて成膜したＴａＮ膜を有する本発明の配線膜、およびそれを用いた電子部品によれば、信頼性や製品歩留まりを大幅に向上させることが可能となる。
【００４１】