銅合金スパッタリングターゲット及びその製造方法並びに半導体素子配線
Ａｌ又はＳｎから選んだ少なくとも１元素を０．０１〜０．５（未満）ｗｔ％含有し、Ｍｎ又はＳｉが総量で０．２５ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする銅合金スパッタリングターゲット。半導体素子の配線材、特に銅電気メッキの際に、シート抵抗が小さく、また凝集がなく、安定で均一なシード層を形成させることができ、かつスパッタ成膜特性に優れた銅合金スパッタリングターゲット及び同ターゲットを用いて形成された半導体素子配線を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、半導体素子の配線材、特に銅電気メッキの際に、凝集がなく安定で均一なシード層を形成させることができ、かつスパッタ成膜特性に優れた銅合金スパッタリングターゲット及び同ターゲットの製造方法並びに同ターゲットにより形成された半導体素子配線に関する。
【背景技術】
従来、半導体素子の配線材料としてＡｌ（比抵抗３．１μΩ・ｃｍ程度）が使われてきたが、配線の微細化に伴いより抵抗の低い銅配線（比抵抗１．７μΩ・ｃｍ程度）が実用化されてきた。
現在の銅配線の形成プロセスとしては、コンタクトホール又は配線溝の凹部にＴａ／ＴａＮなどの拡散バリア層を形成した後、銅を電気メッキすることが多い。この電気メッキを行うために下地層（シード層）として、銅または銅合金をスパッタ成膜することが一般に行われる。
通常、純度４Ｎ（ガス成分抜き）程度の電気銅を粗金属として湿式や乾式の高純度化プロセスによって、５Ｎ〜６Ｎの純度の高純度銅を製造し、これをスパッタリングターゲットとして使用していた。この場合、半導体配線幅が０．１８μｍまでの銅配線には特に問題となることはなかった。
しかし、銅配線幅が０．１３μｍ以下、例えば９０ｎｍ又は６５ｎｍで、アスペクト比８を超えるような超微細配線では、シード層の厚さは１００ｎｍ以下の極薄膜となり、６Ｎ純銅ターゲットでシード層を形成した場合は、凝集がおこって良好なシード層を形成できないということから、ＡｌやＳｎを０．５〜４．０ｗｔ％含有させることによって、これを防止することを考えた。
このように下地層の均一な形成は重要であり、下地層が凝集した場合には、電気メッキで銅膜を形成する際に、均一な膜を形成することができない。例えば、配線中にボイド、ヒロックス、断線などの欠陥を形成してしまう。
また上記のボイド等の欠陥を残さないにしても、この部分で不均一な銅の電着組織を形成してしまうためにエレクトロマイグレーション耐性が低下してしまうという問題が発生する。
この問題を解決するためには、銅電気メッキの際に安定で均一なシード層を形成させることが重要であり、スパッタ成膜特性のすぐれたシード層形成に最適なスパッタリングターゲットが必要となる。上記のＡｌやＳｎを０．５〜４．０ｗｔ％含有させることによって凝集を防止することができ、その目的のためには非常に有効であった。
しかし、その一方でスパッタ膜のシート抵抗が大きくなるという欠点があることが分かった。用途によってはシート抵抗が大きくなることを問題にすることがあり、その目的、すなわち導電性を重視する場合のためには必ずしも有効ではない。
このことからスパッタ膜を形成した後、熱処理して析出物を形成し、シート抵抗を小さくする試みもなされた。しかし、Ａｌ等は固溶限が大きいので、析出物を形成してシート抵抗を小さくすることは事実上困難であった。また膜を熱処理することは、工程の複雑化やデバイスへの熱影響の問題もあった。
また、熱処理でＡｌを配線膜表面に拡散させることで銅配線の抵抗を低下させ、耐酸化性を向上させることが示されている（例えば、特開平６−１７７１１７号参照）が、このような処理をシード層に施すとＡｌ酸化膜がシード表面に形成され電気めっき下地層としては導電性が低下し不適である。
これまで、銅配線材として、銅にいくつか元素を添加して、エレクトロマイグレーション（ＥＭ）耐性、耐食性、付着強度等を向上させることが提案されている（例えば、特開平５−３１１４２４号公報及び特開平１−２４８５３８号公報参照）。また、純銅のターゲット又はこれにＴｉ０．０４〜０．１５ｗｔ％添加したターゲットが提案されている（例えば、特開平１０−６０６３３号公報参照）。
そして、これらの提案においては、添加元素の均一な分散のために急冷し、又は鋳塊における添加元素の偏析や、鋳造時の引け巣、鋳塊の結晶粒の粗大化を防止するために連続鋳造することが提案されている。
しかし、高純度銅あるいはこれに微量の金属を添加しても、比抵抗が低いという利点はあるが、エレクトロマイグレーションの問題やプロセス上の耐酸化性の問題があって、必ずしも良好な材料と言えない。
特に、最近ではアスペクト比がより高くなっている（アスペクト比４以上）ので、十分な耐エレクトロマイグレーション及び耐酸化性を有していることが要求されている。
以上から、配線材として、銅にＡｌやＳｎ（その他ＴｉやＺｒ等の様々な元素）を添加した銅合金をターゲットとして使用する提案がある（例えば、特開平１０−６０６３３号公報参照）。しかし、これらは銅の低抵抗特性を損なわないで耐ＥＭ性、耐ＳＭ性や耐酸化性を向上させるものであり、上記の様な銅電気めっきによる微細銅配線プロセスにおけるシード層形成に使用することはできなかった（例えば、特開平６−１７７１１７号公報参照）。
また、Ｓｎ０．５ｗｔ％がＣｕの粒界拡散低減とＥＭ特性向上に有効であるという提案がある（例えば、Ｃ．Ｈ．Ｈｕ，Ｋ．Ｌ．Ｌｅｅ，Ｄ．Ｇｕｐｔａ，ａｎｄ Ｐ．Ｂｌａｕｎｅｒ（ＩＢＭ）著［Ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｆｆｕｓｉｏｎ ｉｎ ｐｕｒｅ Ｃｕ ａｎｄ Ｃｕ（Ｓｎ） ａｌｌｏｙ，Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．Ｖｏｌ．４２７，１９９６］Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｏｃｉｅｔｙ参照）。しかし、これはＴａやＴａＮなどのバリア層上でのシード層との問題を解決するものではない。
以上から、従来技術では半導体素子の配線材、特に銅電気メッキの際に、導電性が高く、安定で均一なシード層を形成させることができる銅合金が得られておらず、必ずしも十分とは言えなかった。
【発明の開示】
本発明は、半導体素子の配線材、特に銅電気メッキの際に必要とされる導電性が極めて良好であり、また凝集がなく、安定で均一なシード層を形成させることができ、かつスパッタ成膜特性に優れた銅合金スパッタリングターゲット及び同ターゲットの製造方法並びに同ターゲットを用いて形成された半導体素子配線を提供することを課題とする。
上記の課題を解決するために、本発明者らは鋭意研究を行った結果、適切な量の金属元素を添加することにより、銅電気メッキの際のボイド、ヒロックス、断線などの欠陥の発生を防止することができ、比抵抗が低く、かつ耐エレクトロマイグレーション及び耐酸化性を有している、安定で均一なシード層を形成できる銅合金スパッタリングターゲット及び同ターゲットの製造方法並びに同ターゲットを用いて形成された半導体素子配線を得ることができるとの知見を得た。
本発明はこの知見に基づき、
１．Ａｌ又はＳｎから選んだ少なくとも１元素を０．０１〜０．５（未満）ｗｔ％含有し、かつＭｎ又はＳｉのいずれか一方又は双方が総量で０．２５ｗｔｐｐｍ以下含有することを特徴とする銅合金スパッタリングターゲット
２．Ａｌ又はＳｎから選んだ少なくとも１元素を０．０５〜０．２ｗｔ％含有し、Ｍｎ又はＳｉが総量で０．２５ｗｔｐｐｍ以下含有することを特徴とする銅合金スパッタリングターゲット
３．Ｓｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ａｓから選択した１又は２以上を総量で１．０ｗｔｐｐｍ以下含有することを特徴とする上記１又は２記載の銅合金スパッタリングターゲット
４．Ｓｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ａｓから選択した１又は２以上を総量で０．５ｗｔｐｐｍ以下含有することを特徴とする上記１又は２記載の銅合金スパッタリングターゲット
５．Ｓｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ａｓから選択した１又は２以上を総量で０．３ｗｔｐｐｍ以下含有することを特徴とする上記１又は２記載の銅合金スパッタリングターゲット
６．ガス成分を除く不可避的不純物が１０ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする上記１〜５のいずれかに記載の銅合金スパッタリングターゲット
７．ガス成分を除く不可避的不純物が１ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする上記６記載の銅合金スパッタリングターゲット
８．Ｎａ、Ｋがそれぞれ０．０５ｗｔｐｐｍ以下、Ｕ、Ｔｈがそれぞれ１ｗｔｐｐｂ以下、酸素５ｗｔｐｐｍ以下、窒素２ｗｔｐｐｍ以下、炭素２ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする上記１〜７のいずれかに記載の銅合金スパッタリングターゲット
９．Ｎａ、Ｋがそれぞれ０．０２ｗｔｐｐｍ以下、Ｕ、Ｔｈがそれぞれ０．５ｗｔｐｐｂ以下、酸素１ｗｔｐｐｍ以下、窒素１ｗｔｐｐｍ以下、炭素１ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする上記８記載の銅合金スパッタリングターゲット。
１０．平均結晶粒径が１００μｍ以下であり、平均粒径のばらつきが±２０％以内であることを特徴とする上記１〜９のいずれかに記載の銅合金スパッタリングターゲット
１１．上記１〜１０のいずれかに記載の銅合金スパッタリングターゲットを用いて形成された半導体素子配線
１２．半導体素子配線のシード層として形成されることを特徴とする上記１１記載の半導体素子配線
１３．Ｔａ、Ｔａ合金又はこれらの窒化物のバリア膜上にシード層として形成されることを特徴とする上記１２記載の半導体素子配線
１４．添加元素の母合金を作製し、これを銅又は低濃度母合金の溶湯に溶解してインゴットとし、このインゴットを加工してターゲットとすることを特徴とする上記１〜１０のいずれかに記載の銅合金スパッタリングターゲットの製造方法
１５．固溶限以内の母合金を作製することを特徴とする上記１４記載の銅合金スパッタリングターゲットの製造方法
を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
本発明の銅合金スパッタリングターゲットは、Ａｌ又はＳｎから選んだ少なくとも１元素を０．０１〜０．５（未満）ｗｔ％、好ましくは０．０５〜０．２ｗｔ％含有し、Ｍｎ又はＳｉは総量で０．２５ｗｔｐｐｍ以下とする。
これによって、特に銅電気メッキの際に、めっきの際の凝集を効果的に防止できバリア膜との濡れ性を向上させる。またシート抵抗を小さく保つことができ、耐酸化性に富み、安定で均一なシード層を形成させることができる。また、スパッタ成膜特性にも優れており、半導体素子の配線材として有用である。
０．０５ｗｔ％未満では合金を製造する場合に、組成のばらつきが大きくなり、凝集防止効果が低下し、一方０．５ｗｔ％以上となると、スパッタ膜のシート抵抗が大きくなり、本発明の目的に合致したターゲットが得られ難くなる。また、銅合金製造工程の溶解の際に、Ａｌ、Ｓｎの増加と共に酸素含有量が増大するという問題もある。
ＭｎとＳｉの含有は耐酸化性を向上させる。しかし、Ｍｎ、Ｓｉ自体は凝集防止効果がなく、また０．２５ｗｔｐｐｍを超えるとシート抵抗を大きくさせてしまうので、０．２５ｗｔｐｐｍ以下にする必要がある。特に、Ｍｎ、Ｓｉは溶解原料としてＡｌ、Ｓｎから混入し易いので、ＭｎとＳｉの成分管理は重要である。
上記本発明の銅合金スパッタリングターゲットは、Ｓｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ａｓから選択した１又は２以上を総量で０．５ｗｔｐｐｍ以下、好ましくは０．３ｗｔｐｐｍ以下含有させることができる。
これらの成分元素は、耐酸化性を向上させる。しかし、Ｍｎ、Ｓｉと同様に０．５ｗｔｐｐｍを超えるとシート抵抗が大となり、またＡｌ、Ｓｎの凝集防止作用を著しく低下させる、すなわちバリア膜との濡れ性を著しく低下させてしまうので、添加する場合でも０．５ｗｔｐｐｍ以下にする必要がある。特に、好ましい添加量は、総量で０．３ｗｔｐｐｍ以下である。
本発明の銅合金スパッタリングターゲットは、ガス成分を除く不可避的不純物が１０ｗｔｐｐｍ以下、好ましくは１ｗｔｐｐｍ以下とする。これらの不純物は、シート抵抗を大きくし、またＡｌ、Ｓｎの凝集防止作用を低下させる、すなわちバリア膜との濡れ性を低下させてしまうので、厳しく制限する必要がある。
また、不純物のＮａ、Ｋは、それぞれ０．０５ｗｔｐｐｍ以下、好ましくは０．０２ｗｔｐｐｍ以下、Ｕ、Ｔｈはそれぞれ１ｗｔｐｐｂ以下、好ましくは０．５ｗｔｐｐｂ以下、酸素５ｗｔｐｐｍ以下、好ましくは１ｗｔｐｐｍ以下、窒素２ｗｔｐｐｍ以下、好ましくは１ｗｔｐｐｍ以下、炭素２ｗｔｐｐｍ以下、好ましくは１ｗｔｐｐｍ以下とする。不純物であるアルカリ金属元素Ｎａ、Ｋ及び放射性元素Ｕ、Ｔｈは微量でも半導体特性に悪影響を与えるので上記の範囲とするのが望ましい。
また、上記本発明の銅合金スパッタリングターゲットに含まれるガス成分の酸素、窒素、炭素は、結晶粒界に介在物を形成してパーティクルの発生の原因となり、特にスパッタライフ中の突発的なパーティクル発生を生じさせるという問題があるので、極力低減することが望ましい。
また、酸素により、シード層に酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）が形成されてしまうと、電気めっきの際にその部分が溶解してしまうという問題がある。このようにめっき浴によってシード層表面が侵されると、ミクロ的に電場が変動して均一なめっき膜が形成されないという問題が起こる。したがって、酸素等のガス成分を上記の範囲に制限することが必要である。
また、上記本発明の銅合金スパッタリングターゲットは、平均結晶粒径を１００μｍ以下、平均粒径のばらつきが±２０％以内とすることが望ましい。
このように、ターゲットの組織を制御することによりスパッタライフを通じて、膜のユニフォーミティ（膜厚均一性）を向上させることができ、膜組成の均一性を向上させることができる。特に、ウエハサイズが３００ｍｍを超えるようになると、膜のユニフォーミティはより重要になる。
さらに、上記本発明の銅合金スパッタリングターゲットは、半導体素子配線の製造、特に半導体配線のシード層の形成に有用であり、さらにはＴａ、Ｔａ合金又はこれらの窒化物のバリア膜上のシード層形成に最適である。
本発明の銅合金スパッタリングターゲットの製造において、特に問題となるのは添加元素のＳｎ及びＡｌの添加量が極めて低いために、銅合金インゴットの製造段階で組成にバラツキが生じてしまうことである。
特に、ＳｎやＡｌのように、融点が低く、比重の小さい元素は、銅の溶湯に添加する際に、蒸散や飛散が起こり易いためである。また、比重が小さいためにインゴットの中で偏析が大きくなってしまうなどの問題がある。また、ＳｎやＡｌの添加元素からの不純物の混入も多く高品質の銅合金ターゲットを製造することが難しいという問題があった。
このようなことから溶解温度を高くし、十分に溶湯を攪拌すれば、不純物となる多量のＳｉ、Ｍｎは低減させることができるが、添加元素自体も減少してしまう不都合を生じる。減少量を見込んで添加量を多くしても、溶湯温度の管理が難しく、また溶解作業は変動要因が多いので、適切な調整は困難であった。
そこで、本発明は融点が約８００°Ｃと高く固溶限内の単相の母合金を作製し、これを銅又は低濃度母合金の溶湯に溶解してインゴットとする。融点が高いので酸素等の不純物も効果的に減少させることができる。この母合金の添加元素濃度を測定し、これを純銅又は低濃度銅母合金に溶融添加することで、安定した低濃度銅合金インゴットを製造することができる。
具体的には、純度６Ｎ以上の高純度銅と上記銅母合金を準備し、水冷銅製坩堝のコールドクルーシブル溶解法にて高真空雰囲気で溶解し、高純度の合金を得る。銅母合金による添加元素の量は十分な管理を行うことが必要である。溶解方法としては、この他に高純度のグラファイト坩堝を使用することもできる。
溶解に際しては、溶湯との接触による汚染を少なくするために、純度６Ｎの銅板を坩堝底部に設置することが有効である。
合金化した溶湯は、速やかに高真空雰囲気中で水冷銅鋳型に鋳込んでインゴットを得る。このインゴットの組織、例えば結晶粒径を制御することにより、スパッタリング特性を向上させることができる。
製造したインゴットは表面層を除去して、熱間鍛造、熱間圧延、冷間圧延、熱処理工程を経て、ターゲット素材とする。このターゲット素材はさらに機械加工により所定の形状とし、バッキングプレートと接合してターゲット製品を得る。
実施例及び比較例
次に、実施例に基づいて本発明を説明する。以下に示す実施例は、理解を容易にするためのものであり、これらの実施例によって本発明を制限するものではない。すなわち、本発明の技術思想に基づく変形及び他の実施例は、当然本発明に含まれる。
【実施例１〜１０】
純度６Ｎ以上の高純度銅と銅母合金（Ａｌ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓｉその他の添加元素）を調整し、水冷銅製坩堝のコールドクルーシブル溶解法にて高真空雰囲気で溶解し高純度の合金を得た。調整した実施例１〜１０の合金組成を表１に示す。
本溶解に際しては、溶湯との接触による汚染を少なくするために、純度６Ｎの銅板を坩堝底部に設置した。合金化した溶湯を、高真空雰囲気中で水冷銅鋳型に鋳込んでインゴットを得た。
次に、製造したインゴットの表面層を除去してφ１６０×６０ｔとした後、４００°Ｃ熱間鍛造でφ２００とした。その後、４００°Ｃで熱間圧延してφ２７０×２０ｔまで圧延し、さらに冷間圧延でφ３６０×１０ｔまで圧延した。次に、４００〜６００°Ｃ１時間熱処理後、ターゲット全体を急冷してターゲット素材とした。これを機械加工で直径１３インチ、厚さ７ｍｍのターゲットに加工し、これをさらにＡｌ合金製バッキングプレートと拡散接合により接合してスパッタリングターゲット組立体とした。
平均粒径の測定はＪＩＳ Ｈ０５０１に基づき切断法により、ターゲットを平面方向で同心円状に１７点、板厚方向で表面、中央、裏面の３点、合計で１７×３＝５１点で測定した。
このようにして得たターゲットを使用して８インチのＴａＮ／Ｔａ／Ｓｉ基板上に１００ｎｍ厚さのスパッタ膜を形成した。このスパッタ膜の凝集程度を高分解能ＳＥＭで観察した。また、Ｓｉ基板上に約５００ｎｍ厚さまでスパッタ成膜して膜のユニフォーミティを測定した。
以上の結果について、ターゲットの成分組成と共に、酸素含有量、平均結晶粒径、凝集性、膜厚均一性（３σ（％））を表１に示す。
本発明においては、酸素含有量が低く、また平均結晶粒度も１００μｍ以下であり、平均粒径のばらつきが±２０％以内である。
そして凝集が抑制され、全く凝集しないか又は凝集性が極めて低い。さらに膜厚均一性に優れており、安定で均一なシード層を形成できる銅合金スパッタリングターゲットを得ることができることが分る。これによって、同ターゲットを用いて優れた半導体素子配線を得ることができる。
（比較例１〜８）
実施例と同様の製造条件で、同様な合金成分ではあるが、本発明の範囲から外れる材料について、母合金を使用せず、粒径及びばらつきを変えた場合について、それぞれ銅合金ターゲットを作製した。
この条件を同様に表１に示す。このようにして得たターゲットを使用して８インチのＴａＮ／Ｔａ／Ｓｉ基板上に１００ｎｍ厚さのスパッタ膜を形成した。
このスパッタ膜の凝集程度を高分解能ＳＥＭで観察した。また、Ｓｉ基板上に約５００ｎｍ厚さまでスパッタ成膜して膜のユニフォーミティを測定した。
以上の比較例１−８の結果について、ターゲットの成分組成と共に、酸素含有量、平均結晶粒径、凝集性、膜厚均一性（３σ（％））を同様に表１に示す。
比較例１では、Ａｌが０．００８ｗｔ％で、凝集防止効果が低く、凝集性が強くなっている。比較例２では、Ａｌが０．５０ｗｔ％を超えており、またＳｉが多くなり、再結晶温度も高く、凝集防止効果が低い。また、比較例３に示すように、Ｓｉが高い（０．２５ｐｐｍを超える）と凝集防止効果が低下する。
比較例４は、凝集性は低いが、酸素含有量が高くかつ粒径のばらつきが大きいため、膜厚の均一性が悪くなっている。
比較例５は、Ｓｎ含有量が０．０２ｗｔ％未満であるため凝集防止効果が低く、強い凝集性を示した。逆に、比較例６は、Ｓｎ含有量が０．５ｗｔ％を超え、同時にＭｎが多くなり、再結晶温度も高く、凝集性が強く現われた。比較例７に示すように、Ｍｎの含有量が高いと凝集防止効果が低下する。
また、比較例８は、凝集性は低いが、粒径のばらつきが大きく膜厚の均一性が悪くなっている。
（実施例１１−１〜１１−５）
次に、母合金の作製と目標組成からのズレを調べるために、真空雰囲気中、コールドクルーシブル溶解法で母合金を作製した。この母合金（銅）のアルミニウム含有量を固溶限内である４．６３２ｗｔ％とした。この母合金の液相線温度は約１０６０°Ｃである。
次に、真空雰囲気中、コールドクルーシブル溶解法で６Ｎグレードの高純度銅を１４００°Ｃ程度で溶解し、さらに前記母合金を０．１０６ｗｔ％になるように添加して、溶湯温度が約１１５０〜１４００°Ｃになってから鋳造し、鋳造インゴットを作製した。また、同様の方法で、合計５回インゴットを作製した。
そして、これらのインゴットのアルミニウム量をＩＣＰ発光分析法にて分析した。その結果を表２に示す。
（比較例９−１〜９−４）
真空雰囲気中、コールドクルーシブル溶解法で６Ｎグレードの高純度銅を１４００°Ｃ程度で溶解し、アルミニウムを０．１０６ｗｔ％になるように添加して、溶湯温度が約１１５０〜１４００°Ｃになってから鋳造し、鋳造インゴットを作製した。また、同様の方法で、合計４回インゴットを作製した。
そして、これらのインゴットのアルミニウム量をＩＣＰ発光分析法にて分析した。その結果を同様に、表２に示す。
（比較例１０−１〜１０−４）
真空雰囲気中、コールドクルーシブル溶解法で母合金を作製した。この母合金（銅）のアルミニウム含有量は、固溶限を超える３１．３３ｗｔ％とした。この母合金の液相線温度は約８００°Ｃである。
次に、真空雰囲気中、コールドクルーシブル溶解法で６Ｎグレードの高純度銅を１４００°Ｃ程度で溶解し、さらに前記母合金を０．１０６ｗｔ％になるように添加して、溶湯温度が約１１５０〜１４００°Ｃになってから鋳造し、鋳造インゴットを作製した。また、同様の方法で、合計４回インゴットを作製した。
そして、これらのインゴットのアルミニウム量をＩＣＰ発光分析法にて分析した。その結果を同様に、表２に示す。
上記表２から明らかなように、実施例実施例１１−１〜１１−５の場合は、いずれも目標組成からのズレ（バラツキ）が少なく、５％以内であった。一方、母合金を使用せずに直接合金元素を添加した比較例９−１〜９−４及び固溶限を超える母合金を使用した比較例１０−１〜１０−４では、目標組成からのズレ（バラツキ）が大きく、５％をはるかに超えていた。このように適正な母合金を使用しない場合は、極めて製造の安定性が悪かった。
特に、母合金としては、８００°Ｃ以上、好ましくは１０００°Ｃ程度の融点（液相線温度）が必要で、さらに単相合金（アルミニウム又は錫の固溶限内の組成範囲）が適していることが分った。
【発明の効果】
本発明は、半導体素子の配線材、特に銅電気メッキの際に、シート抵抗が小さくかつ凝集がなく、安定で均一なシード層を形成させることができ、スパッタ成膜特性に優れた銅合金スパッタリングターゲット及び同ターゲットの製造方法並びに同ターゲットにより形成された半導体素子配線を得ることができるという優れた効果を有する。
【技術分野】
本発明は、半導体素子の配線材、特に銅電気メッキの際に、凝集がなく安定で均一なシード層を形成させることができ、かつスパッタ成膜特性に優れた銅合金スパッタリングターゲット及び同ターゲットの製造方法並びに同ターゲットにより形成された半導体素子配線に関する。
【背景技術】
従来、半導体素子の配線材料としてＡｌ（比抵抗３．１μΩ・ｃｍ程度）が使われてきたが、配線の微細化に伴いより抵抗の低い銅配線（比抵抗１．７μΩ・ｃｍ程度）が実用化されてきた。
現在の銅配線の形成プロセスとしては、コンタクトホール又は配線溝の凹部にＴａ／ＴａＮなどの拡散バリア層を形成した後、銅を電気メッキすることが多い。この電気メッキを行うために下地層（シード層）として、銅または銅合金をスパッタ成膜することが一般に行われる。
通常、純度４Ｎ（ガス成分抜き）程度の電気銅を粗金属として湿式や乾式の高純度化プロセスによって、５Ｎ〜６Ｎの純度の高純度銅を製造し、これをスパッタリングターゲットとして使用していた。この場合、半導体配線幅が０．１８μｍまでの銅配線には特に問題となることはなかった。
しかし、銅配線幅が０．１３μｍ以下、例えば９０ｎｍ又は６５ｎｍで、アスペクト比８を超えるような超微細配線では、シード層の厚さは１００ｎｍ以下の極薄膜となり、６Ｎ純銅ターゲットでシード層を形成した場合は、凝集がおこって良好なシード層を形成できないということから、ＡｌやＳｎを０．５〜４．０ｗｔ％含有させることによって、これを防止することを考えた。
このように下地層の均一な形成は重要であり、下地層が凝集した場合には、電気メッキで銅膜を形成する際に、均一な膜を形成することができない。例えば、配線中にボイド、ヒロックス、断線などの欠陥を形成してしまう。
また上記のボイド等の欠陥を残さないにしても、この部分で不均一な銅の電着組織を形成してしまうためにエレクトロマイグレーション耐性が低下してしまうという問題が発生する。
この問題を解決するためには、銅電気メッキの際に安定で均一なシード層を形成させることが重要であり、スパッタ成膜特性のすぐれたシード層形成に最適なスパッタリングターゲットが必要となる。上記のＡｌやＳｎを０．５〜４．０ｗｔ％含有させることによって凝集を防止することができ、その目的のためには非常に有効であった。
しかし、その一方でスパッタ膜のシート抵抗が大きくなるという欠点があることが分かった。用途によってはシート抵抗が大きくなることを問題にすることがあり、その目的、すなわち導電性を重視する場合のためには必ずしも有効ではない。
このことからスパッタ膜を形成した後、熱処理して析出物を形成し、シート抵抗を小さくする試みもなされた。しかし、Ａｌ等は固溶限が大きいので、析出物を形成してシート抵抗を小さくすることは事実上困難であった。また膜を熱処理することは、工程の複雑化やデバイスへの熱影響の問題もあった。
また、熱処理でＡｌを配線膜表面に拡散させることで銅配線の抵抗を低下させ、耐酸化性を向上させることが示されている（例えば、特開平６−１７７１１７号参照）が、このような処理をシード層に施すとＡｌ酸化膜がシード表面に形成され電気めっき下地層としては導電性が低下し不適である。
これまで、銅配線材として、銅にいくつか元素を添加して、エレクトロマイグレーション（ＥＭ）耐性、耐食性、付着強度等を向上させることが提案されている（例えば、特開平５−３１１４２４号公報及び特開平１−２４８５３８号公報参照）。また、純銅のターゲット又はこれにＴｉ０．０４〜０．１５ｗｔ％添加したターゲットが提案されている（例えば、特開平１０−６０６３３号公報参照）。
そして、これらの提案においては、添加元素の均一な分散のために急冷し、又は鋳塊における添加元素の偏析や、鋳造時の引け巣、鋳塊の結晶粒の粗大化を防止するために連続鋳造することが提案されている。
しかし、高純度銅あるいはこれに微量の金属を添加しても、比抵抗が低いという利点はあるが、エレクトロマイグレーションの問題やプロセス上の耐酸化性の問題があって、必ずしも良好な材料と言えない。
特に、最近ではアスペクト比がより高くなっている（アスペクト比４以上）ので、十分な耐エレクトロマイグレーション及び耐酸化性を有していることが要求されている。
以上から、配線材として、銅にＡｌやＳｎ（その他ＴｉやＺｒ等の様々な元素）を添加した銅合金をターゲットとして使用する提案がある（例えば、特開平１０−６０６３３号公報参照）。しかし、これらは銅の低抵抗特性を損なわないで耐ＥＭ性、耐ＳＭ性や耐酸化性を向上させるものであり、上記の様な銅電気めっきによる微細銅配線プロセスにおけるシード層形成に使用することはできなかった（例えば、特開平６−１７７１１７号公報参照）。
また、Ｓｎ０．５ｗｔ％がＣｕの粒界拡散低減とＥＭ特性向上に有効であるという提案がある（例えば、Ｃ．Ｈ．Ｈｕ，Ｋ．Ｌ．Ｌｅｅ，Ｄ．Ｇｕｐｔａ，ａｎｄ Ｐ．Ｂｌａｕｎｅｒ（ＩＢＭ）著［Ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｆｆｕｓｉｏｎ ｉｎ ｐｕｒｅ Ｃｕ ａｎｄ Ｃｕ（Ｓｎ） ａｌｌｏｙ，Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．Ｖｏｌ．４２７，１９９６］Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｏｃｉｅｔｙ参照）。しかし、これはＴａやＴａＮなどのバリア層上でのシード層との問題を解決するものではない。
以上から、従来技術では半導体素子の配線材、特に銅電気メッキの際に、導電性が高く、安定で均一なシード層を形成させることができる銅合金が得られておらず、必ずしも十分とは言えなかった。
【発明の開示】
本発明は、半導体素子の配線材、特に銅電気メッキの際に必要とされる導電性が極めて良好であり、また凝集がなく、安定で均一なシード層を形成させることができ、かつスパッタ成膜特性に優れた銅合金スパッタリングターゲット及び同ターゲットの製造方法並びに同ターゲットを用いて形成された半導体素子配線を提供することを課題とする。
上記の課題を解決するために、本発明者らは鋭意研究を行った結果、適切な量の金属元素を添加することにより、銅電気メッキの際のボイド、ヒロックス、断線などの欠陥の発生を防止することができ、比抵抗が低く、かつ耐エレクトロマイグレーション及び耐酸化性を有している、安定で均一なシード層を形成できる銅合金スパッタリングターゲット及び同ターゲットの製造方法並びに同ターゲットを用いて形成された半導体素子配線を得ることができるとの知見を得た。
本発明はこの知見に基づき、
１．Ａｌ又はＳｎから選んだ少なくとも１元素を０．０１〜０．５（未満）ｗｔ％含有し、かつＭｎ又はＳｉのいずれか一方又は双方が総量で０．２５ｗｔｐｐｍ以下含有することを特徴とする銅合金スパッタリングターゲット
２．Ａｌ又はＳｎから選んだ少なくとも１元素を０．０５〜０．２ｗｔ％含有し、Ｍｎ又はＳｉが総量で０．２５ｗｔｐｐｍ以下含有することを特徴とする銅合金スパッタリングターゲット
３．Ｓｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ａｓから選択した１又は２以上を総量で１．０ｗｔｐｐｍ以下含有することを特徴とする上記１又は２記載の銅合金スパッタリングターゲット
４．Ｓｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ａｓから選択した１又は２以上を総量で０．５ｗｔｐｐｍ以下含有することを特徴とする上記１又は２記載の銅合金スパッタリングターゲット
５．Ｓｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ａｓから選択した１又は２以上を総量で０．３ｗｔｐｐｍ以下含有することを特徴とする上記１又は２記載の銅合金スパッタリングターゲット
６．ガス成分を除く不可避的不純物が１０ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする上記１〜５のいずれかに記載の銅合金スパッタリングターゲット
７．ガス成分を除く不可避的不純物が１ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする上記６記載の銅合金スパッタリングターゲット
８．Ｎａ、Ｋがそれぞれ０．０５ｗｔｐｐｍ以下、Ｕ、Ｔｈがそれぞれ１ｗｔｐｐｂ以下、酸素５ｗｔｐｐｍ以下、窒素２ｗｔｐｐｍ以下、炭素２ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする上記１〜７のいずれかに記載の銅合金スパッタリングターゲット
９．Ｎａ、Ｋがそれぞれ０．０２ｗｔｐｐｍ以下、Ｕ、Ｔｈがそれぞれ０．５ｗｔｐｐｂ以下、酸素１ｗｔｐｐｍ以下、窒素１ｗｔｐｐｍ以下、炭素１ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする上記８記載の銅合金スパッタリングターゲット。
１０．平均結晶粒径が１００μｍ以下であり、平均粒径のばらつきが±２０％以内であることを特徴とする上記１〜９のいずれかに記載の銅合金スパッタリングターゲット
１１．上記１〜１０のいずれかに記載の銅合金スパッタリングターゲットを用いて形成された半導体素子配線
１２．半導体素子配線のシード層として形成されることを特徴とする上記１１記載の半導体素子配線
１３．Ｔａ、Ｔａ合金又はこれらの窒化物のバリア膜上にシード層として形成されることを特徴とする上記１２記載の半導体素子配線
１４．添加元素の母合金を作製し、これを銅又は低濃度母合金の溶湯に溶解してインゴットとし、このインゴットを加工してターゲットとすることを特徴とする上記１〜１０のいずれかに記載の銅合金スパッタリングターゲットの製造方法
１５．固溶限以内の母合金を作製することを特徴とする上記１４記載の銅合金スパッタリングターゲットの製造方法
を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
本発明の銅合金スパッタリングターゲットは、Ａｌ又はＳｎから選んだ少なくとも１元素を０．０１〜０．５（未満）ｗｔ％、好ましくは０．０５〜０．２ｗｔ％含有し、Ｍｎ又はＳｉは総量で０．２５ｗｔｐｐｍ以下とする。
これによって、特に銅電気メッキの際に、めっきの際の凝集を効果的に防止できバリア膜との濡れ性を向上させる。またシート抵抗を小さく保つことができ、耐酸化性に富み、安定で均一なシード層を形成させることができる。また、スパッタ成膜特性にも優れており、半導体素子の配線材として有用である。
０．０５ｗｔ％未満では合金を製造する場合に、組成のばらつきが大きくなり、凝集防止効果が低下し、一方０．５ｗｔ％以上となると、スパッタ膜のシート抵抗が大きくなり、本発明の目的に合致したターゲットが得られ難くなる。また、銅合金製造工程の溶解の際に、Ａｌ、Ｓｎの増加と共に酸素含有量が増大するという問題もある。
ＭｎとＳｉの含有は耐酸化性を向上させる。しかし、Ｍｎ、Ｓｉ自体は凝集防止効果がなく、また０．２５ｗｔｐｐｍを超えるとシート抵抗を大きくさせてしまうので、０．２５ｗｔｐｐｍ以下にする必要がある。特に、Ｍｎ、Ｓｉは溶解原料としてＡｌ、Ｓｎから混入し易いので、ＭｎとＳｉの成分管理は重要である。
上記本発明の銅合金スパッタリングターゲットは、Ｓｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ａｓから選択した１又は２以上を総量で０．５ｗｔｐｐｍ以下、好ましくは０．３ｗｔｐｐｍ以下含有させることができる。
これらの成分元素は、耐酸化性を向上させる。しかし、Ｍｎ、Ｓｉと同様に０．５ｗｔｐｐｍを超えるとシート抵抗が大となり、またＡｌ、Ｓｎの凝集防止作用を著しく低下させる、すなわちバリア膜との濡れ性を著しく低下させてしまうので、添加する場合でも０．５ｗｔｐｐｍ以下にする必要がある。特に、好ましい添加量は、総量で０．３ｗｔｐｐｍ以下である。
本発明の銅合金スパッタリングターゲットは、ガス成分を除く不可避的不純物が１０ｗｔｐｐｍ以下、好ましくは１ｗｔｐｐｍ以下とする。これらの不純物は、シート抵抗を大きくし、またＡｌ、Ｓｎの凝集防止作用を低下させる、すなわちバリア膜との濡れ性を低下させてしまうので、厳しく制限する必要がある。
また、不純物のＮａ、Ｋは、それぞれ０．０５ｗｔｐｐｍ以下、好ましくは０．０２ｗｔｐｐｍ以下、Ｕ、Ｔｈはそれぞれ１ｗｔｐｐｂ以下、好ましくは０．５ｗｔｐｐｂ以下、酸素５ｗｔｐｐｍ以下、好ましくは１ｗｔｐｐｍ以下、窒素２ｗｔｐｐｍ以下、好ましくは１ｗｔｐｐｍ以下、炭素２ｗｔｐｐｍ以下、好ましくは１ｗｔｐｐｍ以下とする。不純物であるアルカリ金属元素Ｎａ、Ｋ及び放射性元素Ｕ、Ｔｈは微量でも半導体特性に悪影響を与えるので上記の範囲とするのが望ましい。
また、上記本発明の銅合金スパッタリングターゲットに含まれるガス成分の酸素、窒素、炭素は、結晶粒界に介在物を形成してパーティクルの発生の原因となり、特にスパッタライフ中の突発的なパーティクル発生を生じさせるという問題があるので、極力低減することが望ましい。
また、酸素により、シード層に酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）が形成されてしまうと、電気めっきの際にその部分が溶解してしまうという問題がある。このようにめっき浴によってシード層表面が侵されると、ミクロ的に電場が変動して均一なめっき膜が形成されないという問題が起こる。したがって、酸素等のガス成分を上記の範囲に制限することが必要である。
また、上記本発明の銅合金スパッタリングターゲットは、平均結晶粒径を１００μｍ以下、平均粒径のばらつきが±２０％以内とすることが望ましい。
このように、ターゲットの組織を制御することによりスパッタライフを通じて、膜のユニフォーミティ（膜厚均一性）を向上させることができ、膜組成の均一性を向上させることができる。特に、ウエハサイズが３００ｍｍを超えるようになると、膜のユニフォーミティはより重要になる。
さらに、上記本発明の銅合金スパッタリングターゲットは、半導体素子配線の製造、特に半導体配線のシード層の形成に有用であり、さらにはＴａ、Ｔａ合金又はこれらの窒化物のバリア膜上のシード層形成に最適である。
本発明の銅合金スパッタリングターゲットの製造において、特に問題となるのは添加元素のＳｎ及びＡｌの添加量が極めて低いために、銅合金インゴットの製造段階で組成にバラツキが生じてしまうことである。
特に、ＳｎやＡｌのように、融点が低く、比重の小さい元素は、銅の溶湯に添加する際に、蒸散や飛散が起こり易いためである。また、比重が小さいためにインゴットの中で偏析が大きくなってしまうなどの問題がある。また、ＳｎやＡｌの添加元素からの不純物の混入も多く高品質の銅合金ターゲットを製造することが難しいという問題があった。
このようなことから溶解温度を高くし、十分に溶湯を攪拌すれば、不純物となる多量のＳｉ、Ｍｎは低減させることができるが、添加元素自体も減少してしまう不都合を生じる。減少量を見込んで添加量を多くしても、溶湯温度の管理が難しく、また溶解作業は変動要因が多いので、適切な調整は困難であった。
そこで、本発明は融点が約８００°Ｃと高く固溶限内の単相の母合金を作製し、これを銅又は低濃度母合金の溶湯に溶解してインゴットとする。融点が高いので酸素等の不純物も効果的に減少させることができる。この母合金の添加元素濃度を測定し、これを純銅又は低濃度銅母合金に溶融添加することで、安定した低濃度銅合金インゴットを製造することができる。
具体的には、純度６Ｎ以上の高純度銅と上記銅母合金を準備し、水冷銅製坩堝のコールドクルーシブル溶解法にて高真空雰囲気で溶解し、高純度の合金を得る。銅母合金による添加元素の量は十分な管理を行うことが必要である。溶解方法としては、この他に高純度のグラファイト坩堝を使用することもできる。
溶解に際しては、溶湯との接触による汚染を少なくするために、純度６Ｎの銅板を坩堝底部に設置することが有効である。
合金化した溶湯は、速やかに高真空雰囲気中で水冷銅鋳型に鋳込んでインゴットを得る。このインゴットの組織、例えば結晶粒径を制御することにより、スパッタリング特性を向上させることができる。
製造したインゴットは表面層を除去して、熱間鍛造、熱間圧延、冷間圧延、熱処理工程を経て、ターゲット素材とする。このターゲット素材はさらに機械加工により所定の形状とし、バッキングプレートと接合してターゲット製品を得る。
実施例及び比較例
次に、実施例に基づいて本発明を説明する。以下に示す実施例は、理解を容易にするためのものであり、これらの実施例によって本発明を制限するものではない。すなわち、本発明の技術思想に基づく変形及び他の実施例は、当然本発明に含まれる。
【実施例１〜１０】
純度６Ｎ以上の高純度銅と銅母合金（Ａｌ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓｉその他の添加元素）を調整し、水冷銅製坩堝のコールドクルーシブル溶解法にて高真空雰囲気で溶解し高純度の合金を得た。調整した実施例１〜１０の合金組成を表１に示す。
本溶解に際しては、溶湯との接触による汚染を少なくするために、純度６Ｎの銅板を坩堝底部に設置した。合金化した溶湯を、高真空雰囲気中で水冷銅鋳型に鋳込んでインゴットを得た。
次に、製造したインゴットの表面層を除去してφ１６０×６０ｔとした後、４００°Ｃ熱間鍛造でφ２００とした。その後、４００°Ｃで熱間圧延してφ２７０×２０ｔまで圧延し、さらに冷間圧延でφ３６０×１０ｔまで圧延した。次に、４００〜６００°Ｃ１時間熱処理後、ターゲット全体を急冷してターゲット素材とした。これを機械加工で直径１３インチ、厚さ７ｍｍのターゲットに加工し、これをさらにＡｌ合金製バッキングプレートと拡散接合により接合してスパッタリングターゲット組立体とした。
平均粒径の測定はＪＩＳ Ｈ０５０１に基づき切断法により、ターゲットを平面方向で同心円状に１７点、板厚方向で表面、中央、裏面の３点、合計で１７×３＝５１点で測定した。
このようにして得たターゲットを使用して８インチのＴａＮ／Ｔａ／Ｓｉ基板上に１００ｎｍ厚さのスパッタ膜を形成した。このスパッタ膜の凝集程度を高分解能ＳＥＭで観察した。また、Ｓｉ基板上に約５００ｎｍ厚さまでスパッタ成膜して膜のユニフォーミティを測定した。
以上の結果について、ターゲットの成分組成と共に、酸素含有量、平均結晶粒径、凝集性、膜厚均一性（３σ（％））を表１に示す。
本発明においては、酸素含有量が低く、また平均結晶粒度も１００μｍ以下であり、平均粒径のばらつきが±２０％以内である。
そして凝集が抑制され、全く凝集しないか又は凝集性が極めて低い。さらに膜厚均一性に優れており、安定で均一なシード層を形成できる銅合金スパッタリングターゲットを得ることができることが分る。これによって、同ターゲットを用いて優れた半導体素子配線を得ることができる。
（比較例１〜８）
実施例と同様の製造条件で、同様な合金成分ではあるが、本発明の範囲から外れる材料について、母合金を使用せず、粒径及びばらつきを変えた場合について、それぞれ銅合金ターゲットを作製した。
この条件を同様に表１に示す。このようにして得たターゲットを使用して８インチのＴａＮ／Ｔａ／Ｓｉ基板上に１００ｎｍ厚さのスパッタ膜を形成した。
このスパッタ膜の凝集程度を高分解能ＳＥＭで観察した。また、Ｓｉ基板上に約５００ｎｍ厚さまでスパッタ成膜して膜のユニフォーミティを測定した。
以上の比較例１−８の結果について、ターゲットの成分組成と共に、酸素含有量、平均結晶粒径、凝集性、膜厚均一性（３σ（％））を同様に表１に示す。
比較例１では、Ａｌが０．００８ｗｔ％で、凝集防止効果が低く、凝集性が強くなっている。比較例２では、Ａｌが０．５０ｗｔ％を超えており、またＳｉが多くなり、再結晶温度も高く、凝集防止効果が低い。また、比較例３に示すように、Ｓｉが高い（０．２５ｐｐｍを超える）と凝集防止効果が低下する。
比較例４は、凝集性は低いが、酸素含有量が高くかつ粒径のばらつきが大きいため、膜厚の均一性が悪くなっている。
比較例５は、Ｓｎ含有量が０．０２ｗｔ％未満であるため凝集防止効果が低く、強い凝集性を示した。逆に、比較例６は、Ｓｎ含有量が０．５ｗｔ％を超え、同時にＭｎが多くなり、再結晶温度も高く、凝集性が強く現われた。比較例７に示すように、Ｍｎの含有量が高いと凝集防止効果が低下する。
また、比較例８は、凝集性は低いが、粒径のばらつきが大きく膜厚の均一性が悪くなっている。
（実施例１１−１〜１１−５）
次に、母合金の作製と目標組成からのズレを調べるために、真空雰囲気中、コールドクルーシブル溶解法で母合金を作製した。この母合金（銅）のアルミニウム含有量を固溶限内である４．６３２ｗｔ％とした。この母合金の液相線温度は約１０６０°Ｃである。
次に、真空雰囲気中、コールドクルーシブル溶解法で６Ｎグレードの高純度銅を１４００°Ｃ程度で溶解し、さらに前記母合金を０．１０６ｗｔ％になるように添加して、溶湯温度が約１１５０〜１４００°Ｃになってから鋳造し、鋳造インゴットを作製した。また、同様の方法で、合計５回インゴットを作製した。
そして、これらのインゴットのアルミニウム量をＩＣＰ発光分析法にて分析した。その結果を表２に示す。
（比較例９−１〜９−４）
真空雰囲気中、コールドクルーシブル溶解法で６Ｎグレードの高純度銅を１４００°Ｃ程度で溶解し、アルミニウムを０．１０６ｗｔ％になるように添加して、溶湯温度が約１１５０〜１４００°Ｃになってから鋳造し、鋳造インゴットを作製した。また、同様の方法で、合計４回インゴットを作製した。
そして、これらのインゴットのアルミニウム量をＩＣＰ発光分析法にて分析した。その結果を同様に、表２に示す。
（比較例１０−１〜１０−４）
真空雰囲気中、コールドクルーシブル溶解法で母合金を作製した。この母合金（銅）のアルミニウム含有量は、固溶限を超える３１．３３ｗｔ％とした。この母合金の液相線温度は約８００°Ｃである。
次に、真空雰囲気中、コールドクルーシブル溶解法で６Ｎグレードの高純度銅を１４００°Ｃ程度で溶解し、さらに前記母合金を０．１０６ｗｔ％になるように添加して、溶湯温度が約１１５０〜１４００°Ｃになってから鋳造し、鋳造インゴットを作製した。また、同様の方法で、合計４回インゴットを作製した。
そして、これらのインゴットのアルミニウム量をＩＣＰ発光分析法にて分析した。その結果を同様に、表２に示す。
上記表２から明らかなように、実施例実施例１１−１〜１１−５の場合は、いずれも目標組成からのズレ（バラツキ）が少なく、５％以内であった。一方、母合金を使用せずに直接合金元素を添加した比較例９−１〜９−４及び固溶限を超える母合金を使用した比較例１０−１〜１０−４では、目標組成からのズレ（バラツキ）が大きく、５％をはるかに超えていた。このように適正な母合金を使用しない場合は、極めて製造の安定性が悪かった。
特に、母合金としては、８００°Ｃ以上、好ましくは１０００°Ｃ程度の融点（液相線温度）が必要で、さらに単相合金（アルミニウム又は錫の固溶限内の組成範囲）が適していることが分った。
【発明の効果】
本発明は、半導体素子の配線材、特に銅電気メッキの際に、シート抵抗が小さくかつ凝集がなく、安定で均一なシード層を形成させることができ、スパッタ成膜特性に優れた銅合金スパッタリングターゲット及び同ターゲットの製造方法並びに同ターゲットにより形成された半導体素子配線を得ることができるという優れた効果を有する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ又はＳｎから選んだ少なくとも１元素を０．０１〜０．５（未満）ｗｔ％含有し、かつＭｎ又はＳｉのいずれか一方又は双方が総量で０．２５ｗｔｐｐｍ以下含有することを特徴とする銅合金スパッタリングターゲット。
【請求項２】
Ａｌ又はＳｎから選んだ少なくとも１元素を０．０５〜０．２ｗｔ％含有し、Ｍｎ又はＳｉが総量で０．２５ｗｔｐｐｍ以下含有することを特徴とする銅合金スパッタリングターゲット。
【請求項３】
Ｓｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ａｓから選択した１又は２以上を総量で１．０ｗｔｐｐｍ以下含有することを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項記載の銅合金スパッタリングターゲット。
【請求項４】
Ｓｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ａｓから選択した１又は２以上を総量で０．５ｗｔｐｐｍ以下含有することを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項記載の銅合金スパッタリングターゲット。
【請求項５】
Ｓｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ａｓから選択した１又は２以上を総量で０．３ｗｔｐｐｍ以下含有することを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項記載の銅合金スパッタリングターゲット。
【請求項６】
ガス成分を除く不可避的不純物が１０ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第１項〜第５項のいずれかに記載の銅合金スパッタリングターゲット。
【請求項７】
ガス成分を除く不可避的不純物が１ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第６項記載の銅合金スパッタリングターゲット。
【請求項８】
Ｎａ、Ｋがそれぞれ０．０５ｗｔｐｐｍ以下、Ｕ、Ｔｈがそれぞれ１ｗｔｐｐｂ以下、酸素５ｗｔｐｐｍ以下、窒素２ｗｔｐｐｍ以下、炭素２ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第１項〜第７項のいずれかに記載の銅合金スパッタリングターゲット。
【請求項９】
Ｎａ、Ｋがそれぞれ０．０２ｗｔｐｐｍ以下、Ｕ、Ｔｈがそれぞれ０．５ｗｔｐｐｂ以下、酸素１ｗｔｐｐｍ以下、窒素１ｗｔｐｐｍ以下、炭素１ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第８項記載の銅合金スパッタリングターゲット。
【請求項１０】
平均結晶粒径が１００μｍ以下であり、平均粒径のばらつきが±２０％以内であることを特徴とする請求の範囲第１項〜第９項のいずれかに記載の銅合金スパッタリングターゲット。
【請求項１１】
請求の範囲第１項〜第１０項のいずれかに記載の銅合金スパッタリングターゲットを用いて形成された半導体素子配線。
【請求項１２】
半導体素子配線のシード層として形成されることを特徴とする請求の範囲第１１項記載の半導体素子配線。
【請求項１３】
Ｔａ、Ｔａ合金又はこれらの窒化物のバリア膜上にシード層として形成されることを特徴とする請求の範囲第１２項記載の半導体素子配線。
【請求項１４】
添加元素の母合金を作製し、これを銅又は低濃度母合金の溶湯に溶解してインゴットとし、このインゴットを加工してターゲットとすることを特徴とする請求の範囲第１項〜第１０項のいずれかに記載の銅合金スパッタリングターゲットの製造方法。
【請求項１５】
固溶限以内の母合金を作製することを特徴とする請求の範囲第１４項記載の銅合金スパッタリングターゲットの製造方法。
【請求項１】
Ａｌ又はＳｎから選んだ少なくとも１元素を０．０１〜０．５（未満）ｗｔ％含有し、かつＭｎ又はＳｉのいずれか一方又は双方が総量で０．２５ｗｔｐｐｍ以下含有することを特徴とする銅合金スパッタリングターゲット。
【請求項２】
Ａｌ又はＳｎから選んだ少なくとも１元素を０．０５〜０．２ｗｔ％含有し、Ｍｎ又はＳｉが総量で０．２５ｗｔｐｐｍ以下含有することを特徴とする銅合金スパッタリングターゲット。
【請求項３】
Ｓｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ａｓから選択した１又は２以上を総量で１．０ｗｔｐｐｍ以下含有することを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項記載の銅合金スパッタリングターゲット。
【請求項４】
Ｓｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ａｓから選択した１又は２以上を総量で０．５ｗｔｐｐｍ以下含有することを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項記載の銅合金スパッタリングターゲット。
【請求項５】
Ｓｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ａｓから選択した１又は２以上を総量で０．３ｗｔｐｐｍ以下含有することを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項記載の銅合金スパッタリングターゲット。
【請求項６】
ガス成分を除く不可避的不純物が１０ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第１項〜第５項のいずれかに記載の銅合金スパッタリングターゲット。
【請求項７】
ガス成分を除く不可避的不純物が１ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第６項記載の銅合金スパッタリングターゲット。
【請求項８】
Ｎａ、Ｋがそれぞれ０．０５ｗｔｐｐｍ以下、Ｕ、Ｔｈがそれぞれ１ｗｔｐｐｂ以下、酸素５ｗｔｐｐｍ以下、窒素２ｗｔｐｐｍ以下、炭素２ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第１項〜第７項のいずれかに記載の銅合金スパッタリングターゲット。
【請求項９】
Ｎａ、Ｋがそれぞれ０．０２ｗｔｐｐｍ以下、Ｕ、Ｔｈがそれぞれ０．５ｗｔｐｐｂ以下、酸素１ｗｔｐｐｍ以下、窒素１ｗｔｐｐｍ以下、炭素１ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第８項記載の銅合金スパッタリングターゲット。
【請求項１０】
平均結晶粒径が１００μｍ以下であり、平均粒径のばらつきが±２０％以内であることを特徴とする請求の範囲第１項〜第９項のいずれかに記載の銅合金スパッタリングターゲット。
【請求項１１】
請求の範囲第１項〜第１０項のいずれかに記載の銅合金スパッタリングターゲットを用いて形成された半導体素子配線。
【請求項１２】
半導体素子配線のシード層として形成されることを特徴とする請求の範囲第１１項記載の半導体素子配線。
【請求項１３】
Ｔａ、Ｔａ合金又はこれらの窒化物のバリア膜上にシード層として形成されることを特徴とする請求の範囲第１２項記載の半導体素子配線。
【請求項１４】
添加元素の母合金を作製し、これを銅又は低濃度母合金の溶湯に溶解してインゴットとし、このインゴットを加工してターゲットとすることを特徴とする請求の範囲第１項〜第１０項のいずれかに記載の銅合金スパッタリングターゲットの製造方法。
【請求項１５】
固溶限以内の母合金を作製することを特徴とする請求の範囲第１４項記載の銅合金スパッタリングターゲットの製造方法。
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０８３４８２
【国際公開日】平成１６年９月３０日（２００４．９．３０）
【発行日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５０３６３８（Ｐ２００５−５０３６３８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００１９１４
【国際出願日】平成１６年２月１９日（２００４．２．１９）
【出願人】（５９１００７８６０）株式会社日鉱マテリアルズ (545)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１６年９月３０日（２００４．９．３０）
【発行日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００１９１４
【国際出願日】平成１６年２月１９日（２００４．２．１９）
【出願人】（５９１００７８６０）株式会社日鉱マテリアルズ (545)
【Ｆターム（参考）】
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