銅鈦合金制濺射靶、使用該濺射靶形成的半導(dǎo)體布線以及具備該半導(dǎo)體布線的半導(dǎo)體元 ...的制作方法
【專利摘要】一種銅鈦合金制濺射靶，Ti為3原子%以上且小于15原子%，剩余部分由Cu和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，其特征在于，靶的面內(nèi)方向的硬度的偏差(標(biāo)準(zhǔn)差)為5.0以內(nèi)，電阻的偏差(標(biāo)準(zhǔn)差)為1.0以內(nèi)。本發(fā)明提供用于形成半導(dǎo)體用銅鈦合金制布線的濺射靶、半導(dǎo)體用銅鈦合金制布線以及具備該半導(dǎo)體布線的半導(dǎo)體元件和器件，所述濺射靶使半導(dǎo)體用銅合金布線自身具有自擴(kuò)散抑制功能、能夠有效地防止由活性Cu的擴(kuò)散導(dǎo)致的布線周圍的污染、并且使耐電遷移(EM)性、耐腐蝕性等提高、能夠任意且容易地形成阻擋層、而且能夠使膜特性均勻化。
【專利說明】銅鈦合金制濺射靶、使用該濺射靶形成的半導(dǎo)體布線以及具備該半導(dǎo)體布線的半導(dǎo)體元件和器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及銅鈦合金制濺射靶、使用該濺射靶形成的半導(dǎo)體布線以及具備該半導(dǎo)體布線的半導(dǎo)體元件和器件，所述濺射靶為能夠有效地防止由活性Cu的擴(kuò)散導(dǎo)致的布線周圍的污染的半導(dǎo)體用銅合金布線用濺射靶、特別是適合用于形成具備自擴(kuò)散抑制功能的半導(dǎo)體布線的銅鈦(Cu-Ti)合金制濺射靶，而且能夠均勻地進(jìn)行濺射，由此能夠得到均勻的膜特性。
【背景技術(shù)】
[0002]以往，使用Al合金(電阻率約3.0μ Ω._)作為半導(dǎo)體元件的布線材料，但隨著布線的微細(xì)化，電阻低的銅布線(電阻率約1.7μ Ω -cm)得到實(shí)用化。作為目前的銅布線的形成工藝，一般如下進(jìn)行:在接觸孔或布線槽的凹部形成Ta、TaN等的擴(kuò)散阻擋層后，對銅或銅合金進(jìn)行濺射成膜。
[0003]通常，以純度約4N(除氣體成分以外)的電解銅作為粗金屬通過濕式或干式高純度化工藝制造純度5N-6N的高純度銅，將其作為濺射靶使用。
[0004]銅或銅合金作為半導(dǎo)體用布線材料非常有效，但銅自身為活性非常高的金屬而容易擴(kuò)散，會產(chǎn)生透過半導(dǎo)體Si基板或其上的絕緣膜而污染Si基板或其周圍的問題。因此，現(xiàn)有技術(shù)中的工藝無法避免形成Ta、TaN等的擴(kuò)散阻擋層。但是，由于存在工序數(shù)相應(yīng)增加的問題，因此，未必能稱得上是好的方法。因此，提出了將銅合金成膜并通過熱處理形成自形成擴(kuò)散阻擋層來代替該擴(kuò)散阻擋層的方案 ，但現(xiàn)狀是還沒有簡便且有效的方法。
[0005]另一方面，迄今為止，提出了通過濺射形成在銅中添加有鈦的銅合金薄膜作為銅布線材料的方案。
[0006]以下列舉其示例。下述專利文獻(xiàn)I中提出了含有0.5-10原子％的Ti的Cu合金薄膜、通過濺射法形成上述Cu合金薄膜的半導(dǎo)體布線的制造方法。
[0007]專利文獻(xiàn)2中提出了在含有2.5-12.5體積％的N2的惰性氣體氛圍下形成含有
0.5-3原子％的Ti和0.4-2.0原子％的N的Cu合金膜的方案。
[0008]專利文獻(xiàn)3中提出了含有Ti的Cu布線、Ti為15原子％以下、優(yōu)選13原子％以下、更優(yōu)選10原子％以下的半導(dǎo)體布線。
[0009]此外，非專利文獻(xiàn)I中提出了使用Cu-Ti合金的自形成阻擋膜。
[0010]使用這種含有Ti的Cu合金作為布線材料對于形成具備自擴(kuò)散抑制功能的半導(dǎo)體布線是有效的。另外，通過濺射形成該Cu合金布線也容易控制薄膜的厚度，能夠提高生產(chǎn)效率，因此可以說利用價值高。以上的公知技術(shù)可稱為對作為半導(dǎo)體布線的功能進(jìn)行調(diào)查研究的結(jié)果。
[0011]但是，與銅制的濺射靶相比，以一定程度含有Ti的Cu合金的濺射靶具有膜特性的均勻性差的問題。
[0012]在沒有強(qiáng)烈意識到該問題的階段，還不是特別成為問題，但在銅布線微細(xì)化的今天，膜的特性會給半導(dǎo)體布線直接帶來影響，因此，已經(jīng)作為嚴(yán)重問題被提出。
[0013]因此，在考察膜特性的不均勻的問題的同時，需要實(shí)現(xiàn)濺射靶的改性，弄清靶自身具備何種特性才能解決該問題。
[0014]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0015]專利文獻(xiàn)
[0016]專利文獻(xiàn)1:日本特開2008-21807號公報
[0017]專利文獻(xiàn)2:日本特開2007-258256號公報
[0018]專利文獻(xiàn)3:國際公開2010/007951號公報
[0019]非專利文獻(xiàn)
[0020]非專利文獻(xiàn)1:大森和幸等9人著、“ T i合金!二 J:石自己形成A V 7 f用P亡r C u配線O特性”(“使用利用Ti合金的自形成阻擋層的雙鑲嵌Cu布線的特性”)、電子信息通信學(xué)會編、信學(xué)技報、第37-40頁

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021]發(fā)明所要解決的問題
[0022]本發(fā)明的課題在于，使半導(dǎo)體用銅合金布線自身具有自擴(kuò)散抑制功能，能夠有效地防止由活性Cu的擴(kuò)散導(dǎo)致的布線周圍的污染，弄清膜特性不均勻的問題，實(shí)現(xiàn)濺射靶的改性，弄清靶自身具備何種特性才能解決該問題。另外，本發(fā)明提供能夠使耐電遷移(EM)性、耐腐蝕性等提高的半導(dǎo)體布線用銅鈦合金制濺射靶。
[0023]用于解決問題的手段
[0024]為了解決上述問題，本發(fā)明人進(jìn)行了深入研究，結(jié)果得到如下發(fā)現(xiàn):通過實(shí)現(xiàn)濺射靶的組織(組成)的均勻性、即嚴(yán)密地控制靶的面內(nèi)方向的硬度的偏差(標(biāo)準(zhǔn)差)和電阻的偏差(標(biāo)準(zhǔn)差)，能夠?qū)崿F(xiàn)濺射膜特性的均勻化。
[0025]另外，本發(fā)明同時提供能夠有效地防止由活性Cu的擴(kuò)散導(dǎo)致的布線周圍的污染的銅鈦合金制濺射靶、使用該濺射靶形成的半導(dǎo)體布線以及具備該半導(dǎo)體布線的半導(dǎo)體元件和器件。
[0026]基于上述發(fā)現(xiàn)，本申請發(fā)明提供:
[0027]I) 一種銅鈦合金制濺射靶，Ti為3原子％以上且小于15原子％且剩余部分由Cu和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，其特征在于，靶的面內(nèi)方向的硬度的偏差(標(biāo)準(zhǔn)差)為5.0以內(nèi)，電阻的偏差(標(biāo)準(zhǔn)差)為1.0以內(nèi)。
[0028]另外，本申請發(fā)明提供:
[0029]2)如上述I所述的銅鈦合金制濺射靶，其中，靶的平均晶粒直徑為5-50 μ m。
[0030]另外，本申請發(fā)明提供:
[0031]3) 一種銅鈦合金制半導(dǎo)體布線，其使用上述I)或2)中任一項(xiàng)所述的銅鈦合金制濺射靶形成；
[0032]4) 一種半導(dǎo)體元件和器件，其具備上述3)所述的銅鈦合金制半導(dǎo)體布線。
[0033]發(fā)明效果[0034]本發(fā)明的半導(dǎo)體用銅合金布線和用于形成該布線的濺射靶具有如下優(yōu)良效果:使半導(dǎo)體用銅合金布線自身具有自擴(kuò)散抑制功能，能夠有效地防止由活性Cu的擴(kuò)散導(dǎo)致的布線周圍的污染，能夠?qū)崿F(xiàn)濺射膜特性的均勻化。而且，還具有使耐電遷移(EM)性、耐腐蝕性等提高的效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1是使用石墨制容器(坩堝)將Cu熔化、并向Cu的熔液中投入預(yù)定量的Ti的概略說明圖。
[0036]圖2是Cu-Ti 二元系合金的狀態(tài)圖。
[0037]圖3是銅鈦合金的熔化到形成濺射靶為止的制造工序的概略說明圖。
[0038]圖4是表示Cu-3.0%Ti和Cu_5.0%Ti靶的組織照片的圖。
[0039]圖5是表示硬度和電阻的靶面內(nèi)的測定部位的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]銅(純銅)存在到達(dá)絕緣層、半導(dǎo)體Si基板而容易成為污染源的問題。該問題是很早就被指出的問題，作為其解決對策，提出了在絕緣膜與銅布線膜之間形成阻擋膜的方案。
[0041]作為該阻擋膜，代表性的為Zr、T1、V、Ta、Nb、Cr等金屬、氮化物或硼化物。但是，它們使薄膜中的晶粒直徑增大，因此，不適合作為Cu的阻擋膜。
[0042]而且，該工藝原本就存在必須通過另外的包覆工藝來實(shí)施的問題，并且其自身并不具有抑制Cu自身的擴(kuò)散的效果。因此，當(dāng)然也可能在形成阻擋膜以外的地方引起污染。可見，上述方案的阻擋效果有限，并且存在成本高的缺點(diǎn)。
[0043]本申請發(fā)明通過如上所述在Cu中含有Ti制成Cu-Ti合金，能夠抑制Cu自身的擴(kuò)散，其在Cu-Ti合金膜的任何狀態(tài)(表面)都能持續(xù)發(fā)揮該效果。Cu-Ti合金膜中的Ti擴(kuò)散而到達(dá)Si半導(dǎo)體的界面時，形成T1、Si的氧化物(TiSixOy的不定比氧化物)。通過使氧化物偏在(偏在)于界面處，使布線中心部的導(dǎo)電性提高，因此，可以說是優(yōu)選的反應(yīng)。
[0044]該層位于Si半導(dǎo)體與銅合金導(dǎo)電(布線)層的界面處，形成約超過Onm-約2nm的層。先形成該層時，Ti向Si半導(dǎo)體層中的擴(kuò)散得到防止。即，該層成為阻擋層。這可以理解為，通過形成銅合金的布線而產(chǎn)生自擴(kuò)散抑制功能，因此極其簡單且有效。
[0045]以往，使用Ta的阻擋層，但這種情況下，必須通過另外的濺射工序來形成，并且為了充分確保作為阻擋膜的功能而需要形成均勻膜，因此，Ta膜最少需要15nm程度的膜厚。與這種以往的Ta阻擋層相比，本申請發(fā)明的優(yōu)越性明顯。
[0046]但是，對于用于制造半導(dǎo)體用銅合金布線的濺射靶而言，特別成為問題的是濺射膜特性的不均勻性?？芍湓蛟谟?，濺射靶的組織(組成)不均勻、即存在靶的面內(nèi)方向的硬度的偏差(標(biāo)準(zhǔn)差)和電阻的偏差(標(biāo)準(zhǔn)差)。
[0047]因此，作為解決該問題的手段，Ti為3原子％以上且小于15原子％且剩余部分由Cu和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的本申請發(fā)明的銅鈦合金制濺射靶使靶的面內(nèi)方向的硬度的偏差(標(biāo)準(zhǔn)差)為5.0以內(nèi)，使電阻的偏差(標(biāo)準(zhǔn)差)為1.0以內(nèi)。由此,消除了革巴的不均勻性，能夠大大減小濺射后的膜特性的不均勻性。另外，本發(fā)明的銅鈦合金制濺射靶中，靶面內(nèi)方向的硬度和電阻的值依賴于成分組成、組織形態(tài)而發(fā)生變化，因此，使用絕對值來評價并不恰當(dāng)，使用其偏差來評價是恰當(dāng)?shù)?。[0048]此外，該靶中，使平均晶粒直徑為5-50 μ m時，濺射時的等離子體穩(wěn)定性優(yōu)良，同時顯示出優(yōu)良的濺射效率。
[0049]使用以上的銅鈦合金制濺射靶形成的銅鈦合金制半導(dǎo)體布線能夠得到膜特性(特別是膜電阻)均勻的結(jié)果。而且，能夠得到具備銅鈦合金制半導(dǎo)體布線的優(yōu)質(zhì)的半導(dǎo)體兀件和器件。
[0050]作為銅布線的形成工藝，一般如下進(jìn)行:在接觸孔(導(dǎo)通孔)或布線槽的凹部形成Ta、TaN等的擴(kuò)散阻擋層后，對銅或銅合金進(jìn)行濺射成膜，但本發(fā)明不需要限定于此。即，半導(dǎo)體用銅合金布線中，也可以在該布線的上表面、側(cè)面和底面即周面形成將銅合金中的Ti優(yōu)先氧化(選擇氧化)而成的Ti氧化膜。該Ti氧化膜自身能夠作為阻擋層發(fā)揮功能。
[0051]該Ti氧化膜層例如可以如下形成:先使用靶進(jìn)行濺射而形成銅合金布線，然后，在含氧氣氛中進(jìn)行熱處理，由此，使銅合金中的Ti優(yōu)先氧化而在該布線的表面上形成Ti氧化膜。該熱處理優(yōu)選在200-525°C的范圍內(nèi)進(jìn)行。這樣的阻擋層的形成具有無需附加的薄膜形成工藝、能夠通過極其簡單的工序來形成的優(yōu)良特征。
[0052]對于本發(fā)明中的半導(dǎo)體用銅合金布線的形成方法而言，濺射法能夠最有效且穩(wěn)定地進(jìn)行成膜。因此，作為為此使用的用于形成具備自擴(kuò)散抑制功能的半導(dǎo)體用銅合金布線的濺射靶，使用形成為上述組成的靶。
[0053]這種靶的成分組成直接反映在濺射膜中，因此，需要進(jìn)行充分的控制。另外，添加的量基于與上述布線膜中說明過的理由同樣的理由。
[0054]在制造銅鈦合金的情況下，鈦(Ti)為低濃度時容易熔化于銅(Cu)，但Ti為高濃度(5%以上)時，由于Cu的熔點(diǎn)為1085°、Ti的熔點(diǎn)為1670°C，存在很大差異，因此，在制作金屬合金的情況下，如果進(jìn)行與高熔點(diǎn)金屬的熔點(diǎn)匹配的真空熔化，則低熔點(diǎn)金屬會蒸發(fā)，從而存在偏離目標(biāo)組成的問題。
[0055]制造本發(fā)明的Ti為3原子％以上且小于15原子％且剩余部分由Cu和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的銅鈦合金制濺射靶時，在預(yù)先抽成真空的石墨制容器(坩堝)中將Cu熔化，接著使該容器形成Ar氣氣氛后，一邊向銅水中添加Ti 一邊通過自然對流對該熔液進(jìn)行攪拌，使Ti熔化在Cu中。
[0056]然后，向Cu制模具中注液使其凝固，得到銅鈦合金錠。向石墨制容器(坩堝)中添加Ti的情形示于圖1中。
[0057]這樣，通過向維持于稍高于熔點(diǎn)的溫度的Cu熔液中添加Ti，能夠使Ti的表面在熔液中逐漸地與Cu反應(yīng)而合金化。
[0058]圖2中示出了 Cu-Ti 二元系合金的狀態(tài)圖。如該圖2所示，通過合金化使Ti的熔點(diǎn)降低，因此，合金化后的表面熔入Cu的熔液中，最終使Ti全部熔化在Cu中。由于在稍高于Cu的熔點(diǎn)的溫度下熔化，因此，不會發(fā)生Cu蒸發(fā)等情況，能夠制作目標(biāo)組成的合金。
[0059]Cu的熔化時，通常通過真空感應(yīng)熔化進(jìn)行。熔化條件可以根據(jù)要熔化的材料的量和熔化設(shè)備進(jìn)行任意改變。然后，導(dǎo)入Ar氣氣氛后，進(jìn)行Ti添加。
[0060]攪拌優(yōu)選利用自然對流進(jìn)行。從添加Ti開始保持約15分鐘，然后，向模具中注液使其凝固。注液溫度設(shè)定為1100-1250°C。
[0061]Cu的熔化時，優(yōu)選在Cu的熔點(diǎn)+200°C以下的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熔化。另外，優(yōu)選同樣向保持在Cu的熔點(diǎn)+200°C以下的溫度范圍內(nèi)的熔銅中添加Ti。由此，使Ti在與Cu合金化的同時慢慢熔化，最終全部熔化。
[0062]對這樣制造的銅鈦合金進(jìn)行熱鍛(例如，700~950°C下的鍛造)、壓延(例如，700~950°C下的熱壓延)和熱處理(例如，700~950°C下的I~3小時的熱處理)，能夠制造Ti為3原子％以上且小于15原子％且剩余部分由Cu和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成的銅鈦合金制派射靶。
[0063]將該工序示于圖3中。熱處理后，進(jìn)行機(jī)械加工工序、向背板上接合的工序以及精加工等通常的處理，然后制成靶。
[0064]上述加工工序中，關(guān)于鍛造，進(jìn)行700~950°C下的熱鍛。由此，能夠得到晶粒直徑為5~50 μ m的均勻組織的靶。
[0065]而且，能夠使靶的面內(nèi)方向的硬度的偏差(標(biāo)準(zhǔn)差)為5.0以內(nèi)，使電阻的偏差(標(biāo)準(zhǔn)差)為1.0以內(nèi)。
[0066]實(shí)施例
[0067]接下來，基于實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行說明。以下所示的實(shí)施例為了易于理解本發(fā)明，本發(fā)明不受這些實(shí)施例的限制。即，基于本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思的變形及其他實(shí)施例當(dāng)然包含在本發(fā)明中。
[0068](實(shí)施例1)
[0069]為了制造Ti為3.0原子％、剩余部分為Cu的濺射靶，使用純度6N的Cu和純度5N的Ti作為原料。
[0070]銅的熔化時，通過真空感應(yīng)熔化進(jìn)行。使用32187g的銅，真空度設(shè)定為0.05Pa。將Cu熔化后，使熔液維持于1100~1250°C，導(dǎo)入Ar氣，進(jìn)行Ti添加。攪拌采用自然對流。從Ti添加開始到注液為止的時間為12分鐘。使用銅制模具，將注液溫度設(shè)定為1100~1250°C使其凝固。
[0071]將凝固后的錠在700~950°C下進(jìn)行鍛造，使IOOmmt成為70mmt。再將其在700~950°C下進(jìn)行熱壓延，使70mmt成為12mmt。接著，對其進(jìn)行700~950°C X I小時的熱處理。
[0072]進(jìn)而，對其進(jìn)行機(jī)械加工、向背板上的接合以及精加工，得到7mmt、Φ300mm的由Cu-3.0原子％Ti的鈦銅構(gòu)成的圓盤狀靶與背板的組裝體。
[0073]將該由Cu-3.0原子％Ti的鈦銅構(gòu)成的靶的物性值示于表I中。另外，將硬度和電阻的靶面內(nèi)的測定部位示于圖5中。
[0074]Cu-3.0原子％Ti的鈦銅靶的硬度為201.0Hv (3個點(diǎn)的平均值)，硬度的面內(nèi)偏差(標(biāo)準(zhǔn)差)為3.99。另外，靶的電阻為10.8μ Ω (3個點(diǎn)的平均)，電阻的面內(nèi)偏差(標(biāo)準(zhǔn)差)為0.32。
[0075]進(jìn)而，使用該濺射靶在輸入功率38kW、濺射時間6.5秒的條件下進(jìn)行濺射，計測膜特性的偏差。
[0076]膜特性(膜的電阻)的偏差(標(biāo)準(zhǔn)差)為3.42。均在本申請發(fā)明的特性的范圍內(nèi)，得到良好的結(jié)果。另外，膜電阻的偏差是以使用KLA- r > = 一>公司制造的才A 二.^y I (RS-100)測定晶片上的49處的電阻值(四端子法)而得到的數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計測的結(jié)果。以下，使用同樣的方法計測膜電阻的偏差。
[0077]另外，將該Cu-3.0原子％Ti的靶的顯微鏡組織照片示于圖4 (該圖的左側(cè))中。平均晶粒直徑為47.5μπι。
【權(quán)利要求】
1.一種銅鈦合金制濺射靶，Ti為3原子％以上且小于15原子％且剩余部分由Cu和不可避免的雜質(zhì)構(gòu)成，其特征在于， 革巴的面內(nèi)方向的硬度的偏差(標(biāo)準(zhǔn)差)為5.0以內(nèi)，電阻的偏差(標(biāo)準(zhǔn)差)為1.0以內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的銅鈦合金制濺射靶，其特征在于，靶的平均晶粒直徑為5-50 μ m0
3.—種銅鈦合金制半導(dǎo)體布線，其使用權(quán)利要求1或2所述的銅鈦合金制濺射靶形成。
4.一種半導(dǎo)體元件和 器件，其具備權(quán)利要求3所述的銅鈦合金制半導(dǎo)體布線。
【文檔編號】C23C14/34GK103459654SQ201280011361
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年2月15日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月1日
【發(fā)明者】大月富男, 福島篤志 申請人:吉坤日礦日石金屬株式會社