CN103827348A - 钽溅射靶及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种钽溅射靶，其特征在于，在钽溅射靶的溅射面上，（200）面的取向率为70%以下、并且（222）面的取向率为10%以上。通过控制靶的晶体取向，可以加快溅射速率，由此，能够在短时间内形成需要的膜厚，可以提高生产能力。

Description

钽溅射靶及其制造方法
技术领域
本发明涉及钽溅射靶及其制造方法。特别是涉及用于形成作为LSI中的铜布线的扩散阻挡层的Ta膜或TaN膜的钽溅射靶及其制造方法。
背景技术
以往，使用铝作为半导体元件的布线材料，但伴随元件的微细化、高集成化，浮现布线延迟的问题，从而开始使用电阻小的铜来代替铝。铜作为布线材料是非常有效的，但铜本身为活泼金属，因此存在向层间绝缘膜中扩散而造成污染的问题，从而需要在铜布线和层间绝缘膜之间形成Ta膜、TaN膜等扩散阻挡层。
一般而言，Ta膜、TaN膜通过对钽靶进行溅射来成膜。迄今，对于钽靶而言，关于对溅射时的性能所造成的影响，已知靶中含有的各种杂质、气体成分、晶体的晶向、晶粒直径等会对成膜速度、膜厚的均匀性、粉粒产生等造成影响。
例如专利文献1中记载了：通过形成从靶厚度30%的位置向着靶的中心面（222）取向为择优取向的晶体组织，可以提高膜的均匀性。另外，专利文献2中记载了：通过使钽靶的晶体取向无规化（不一致于特定的晶向），成膜速度增大，可以提高膜的均匀性。另外，专利文献3中记载了：通过在溅射面上选择性地增加原子密度高的（110）、（200）、（211）晶向，成膜速度提高，并且可以抑制晶向的偏差，由此均匀性提高。
另外，专利文献4中记载了：通过使由X射线衍射求出的（110）面的强度比的、基于溅射表面部分的部位的偏差为20%以内，可以提高膜厚均匀性。另外，专利文献5中记载了：通过将模锻、挤出、旋转锻造、无润滑的镦锻与多向轧制组合使用，可以制作出具有非常强的（111）、（100）等结晶学织构的圆形金属靶。但是，即使使用任意一种钽靶来实施溅射，也会产生溅射速率（成膜速度）未必提高，生产能力差的问题。
此外，下述专利文献6中记载了如下的钽溅射靶的制造方法：对钽锭实施锻造、退火、轧制加工，加工为最终组成后，进一步在1173K以下的温度下进行退火，使未再晶体组织为20%以上、90%以下。但是，在此情况下，并没有通过控制晶体取向来提高溅射速率、提高生产能力的构思。
另外，专利文献7中公开了如下的技术：通过锻造、冷轧等加工和热处理，使靶的溅射面的峰的相对强度为（110）＞（211）＞（200），从而使溅射特性稳定。但是，并没有通过控制晶体取向来提高溅射速率、提高生产能力的构思。
另外，专利文献8中记载了：将钽锭锻造，在该锻造工序中进行两次以上的热处理，然后实施冷轧，并对其进行再结晶化热处理。但是，在此情况下，也没有通过控制晶体取向来提高溅射速率、提高生产能力的构思。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-107758号公报
专利文献2：国际公开2005/045090号
专利文献3：日本特开平11-80942号公报
专利文献4：日本特开2002-363736号公报
专利文献5：日本特表2008-532765号公报
专利文献6：日本专利第4754617号
专利文献7：国际公开2011/061897号
专利文献8：日本专利第4714123号
发明内容
发明所要解决的问题
本发明的课题在于，对于钽溅射靶而言，通过控制靶的溅射面的晶体取向，可以加快溅射速率，能够在短时间内形成需要的膜厚，提高生产能力。特别是，本发明的课题在于提供可用于形成可以有效地防止由活泼的Cu的扩散所造成的布线周围的污染的包含Ta膜或TaN膜等的扩散阻挡层的钽溅射靶。
用于解决问题的手段
为了解决上述课题，本发明提供以下的发明。
1）一种钽溅射靶，其特征在于，
在钽溅射靶的溅射面上，（200）面的取向率为70%以下、并且（222）面的取向率为10%以上；
2）如上述1）所述的钽溅射靶，其特征在于，
在钽溅射靶的溅射面上，（200）面的取向率为60%以下、并且（222）面的取向率为20%以上；
3）如上述1）所述的钽溅射靶，其特征在于，
在钽溅射靶的溅射面上，（200）面的取向率为50%以下、并且（222）面的取向率为30%以上；
4）一种扩散阻挡层用薄膜，其使用上述1）～3）中任一项所述的溅射靶而形成；
5）一种半导体器件，其使用上述4）所述的扩散阻挡层用薄膜。
另外，本发明提供：
6）一种钽溅射靶的制造方法，其特征在于，
将熔炼铸造而成的钽锭锻造和再结晶退火后，进行轧制和热处理，形成在靶的溅射面上（200）面的取向率为70%以下、并且（222）面的取向率为10%以上的晶体组织；
7）如上述6）所述的钽溅射靶的制造方法，其特征在于，
将熔炼铸造而成的钽锭锻造和再结晶退火后，进行轧制和热处理，形成在靶的溅射面上（200）面的取向率为60%以下、并且（222）面的取向率为20%以上的晶体组织；
8）如上述6）所述的钽溅射靶的制造方法，其特征在于，
将熔炼铸造而成的钽锭锻造和再结晶退火后，进行轧制和热处理，形成在靶的溅射面上（200）面的取向率为50%以下、并且（222）面的取向率为30%以上的晶体组织；
9）如上述6）～8）中任一项所述的钽溅射靶的制造方法，其特征在于，使用轧辊直径为500mm以上的轧辊以10m/分钟以上的轧制速度、超过80%的压下率进行冷轧；
10）如上述6）～8）中任一项所述的钽溅射靶的制造方法，其特征在于，将轧制和热处理重复两次以上，使用轧辊直径为500mm以上的轧辊以10m/分钟以上的轧制速度、60%以上的压下率进行冷轧；
11）如上述6）～10）中任一项所述的钽溅射靶的制造方法，其特征在于，在900℃～1400℃的温度下进行热处理；
12）如上述6）～11）中任一项所述的钽溅射靶的制造方法，其特征在于，将锻造和再结晶退火重复两次以上；
13）如上述6）～12）中任一项所述的钽溅射靶的制造方法，其特征在于，在轧制和热处理后，通过切削、研磨进行表面精加工。
发明效果
本发明的钽溅射靶通过控制靶的溅射面的晶体取向，具有如下优良效果：可以提高溅射速率，由此能够在短时间内形成需要的膜厚，可以提高生产能力。特别是对于形成可以有效地防止由活泼的Cu的扩散所造成的布线周围的污染的包含Ta膜或TaN膜等的扩散阻挡层具有优良的效果。
附图说明
图1是本发明的实施例和比较例的晶体取向与溅射速率的关系图。
具体实施方式
本发明的钽溅射靶的特征在于，使其溅射面的（200）面的取向率降低，并且使（222）面的取向率提高。
钽的晶体结构为体心立方晶格结构（简称为BCC），因此与（200）面相比，（222）面上相邻的原子间距离更短，与（200）面相比，（222）面上原子更紧密地填充。因此可以认为，溅射时，与（200）面相比，（222）面可以放出更多钽原子，从而溅射速率（成膜速度）提高。
本发明中，优选钽溅射靶的溅射面的（200）面的取向率为70%以下、并且（222）面的取向率为10%以上。更优选（200）面的取向率为60%以下、并且（222）面的取向率为20%以上，进一步优选（200）面的取向率为60%以下、并且（222）面的取向率为20%以上。
另外，为了得到稳定的晶体结构，优选（200）面的取向率为50%以上、（222）面的取向率为30%以下。优选（200）面的取向率的下限值为30%、（222）面的取向率的上限值为40%。这是因为，虽然（200）面的取向率的下限值和（222）面的取向率的上限值没有特别限制，但是（200）面的取向率小于30%时、并且（222）面的取向率大于40%时，溅射速率超过
Figure BDA0000482495370000061
因此在要形成薄的Ta阻挡膜时，成膜时间变得过短，难以得到均匀的阻挡膜。但是，也可以根据需要以超过上述（200）面的取向率的下限值30%、（222）面的取向率的上限值40%的方式实施。
本发明中，取向率是指将通过X射线衍射法得到的（110）、（200）、（211）、（310）、（222）、（321）各自的衍射峰的测定强度归一化，并将各自的晶向的强度的总和设为100时，特定的晶向的强度比。另外，归一化中使用JCPDS（Joint Committee for Powder DiffractionStandard（粉末衍射标准联合委员会））。
例如，（200）面的取向率（%）为：
{[(200)的测定强度/(200)的JCPDS强度]/Σ（各面的测定强度/各面的JCPDS强度）}×100。
本发明的钽溅射靶可以用于形成铜布线中的Ta膜或TaN膜等扩散阻挡层。即使在溅射时的气氛中引入氮气来形成TaN膜的情况下，本发明的溅射靶与以往相比也能够提高溅射速率。由于这样可以提高溅射效率，因此能够以比以往更短的时间形成需要的膜厚，从而在形成具备该Ta膜或TaN膜等扩散阻挡层的铜布线、以及制造具备该铜布线的半导体器件时显著提高生产能力。
本发明的钽溅射靶通过如下的工序制造。对其进行例示：首先，通常使用4N（99.99%）以上的高纯度钽作为钽原料。将其通过电子束熔炼等进行熔炼，并将所得物铸造从而制作锭或坯料。然后，对该锭或坯料进行锻造、再结晶退火。具体而言，例如锭或坯料-压锻-1100～1400℃的温度下进行退火-冷锻（一次锻造）-再结晶温度～1400℃的温度下进行退火-冷锻（二次锻造）-再结晶温度～1400℃的温度下进行退火。
然后，进行冷轧。通过调整该冷轧的条件，可以控制本发明的钽溅射靶的取向率。具体而言，轧辊中辊直径大的轧辊为好，优选500mmφ以上的轧辊。另外，轧制速度尽可能快为好，优选10m/分钟以上。另外，在仅实施一次轧制的情况下，优选压下率高，超过80%，在重复两次以上的轧制的情况下，需要压下率为60%以上，使靶的最终厚度与进行一次轧制的情况相同。
然后，进行热处理。结合冷轧的条件来调节在冷轧后进行的热处理条件，由此可以控制本发明的钽溅射靶的取向率。具体而言，热处理温度高为好，优选为900～1400℃。虽然也取决于轧制中引入的应变的量，但是为了得到再晶体组织，需要在900℃以上的温度下进行热处理。另一方面，在超过1400℃的温度下进行热处理在经济上是不优选的。然后，通过对靶的表面进行机械加工、研磨加工等精加工，精加工为最终制品。
通过上述制造工序来制造钽靶，但在本发明中特别重要的是，对于靶的溅射面的晶体取向而言，使（200）取向率降低、并且使（222）取向率升高。
与取向控制密切相关的主要是轧制工序。在轧制工序中，通过控制轧辊的直径、轧制速度、压下率等参数，能够改变在轧制时引入的应变的量、分布，能够控制（200）面取向率和（222）面取向率。
为了有效地进行面取向率的调节，需要某种程度的反复的条件设定，一旦实现了（200）面取向率和（222）面取向率的调节，则通过设定其制造条件，能够制造出恒定特性的（具有一定水平的特性）靶。
通常在制造靶时，使用轧辊直径为500mm以上的轧辊，使轧制速度为10m/分钟以上、使1道次的压下率为8～12%是有效的。但是，只要是可以实现本发明的晶体取向的制造工序，则并不需要仅限定为该制造工序。在一连串的加工中，通过锻造、轧制破坏铸造组织并且充分进行再结晶化的条件设定是有效的。
另外，优选对熔炼铸造的钽锭或坯料施加锻造、轧制等加工后，进行再结晶退火，将组织微细化并均匀化。
实施例
以下，基于实施例说明本发明。以下所示的实施例用于使本发明可容易地理解，本发明并不受这些实施例限制。即，基于本发明的技术构思的变形和其它实施例也必然包含在本发明中。
对纯度99.995%的钽原料进行电子束熔炼，将所得物铸造成直径195mmφ的锭。然后，将该锭在室温下压锻成直径150mmφ，将所得物在1100～1400℃的温度下进行再结晶退火。再次，将所得物在室温下锻造成厚度100mm、直径150mmφ（一次锻造），将所得物在再结晶温度～1400℃的温度下进行再结晶退火。然后，将所得物在室温下锻造成厚度70～100mm、直径150～185mmφ（二次锻造），并将所得物在再结晶温度～1400℃的温度下进行再结晶退火，从而得到靶材。
（实施例1）
实施例1中，使用轧辊直径为650mm的轧辊，以轧制速度20m/分钟、压下率92%将所得到的靶材冷轧成厚度8mm、直径520mmφ，将所得物在1000℃的温度下进行热处理。然后，对表面进行切削、研磨，从而制成靶。通过以上的工序，可以得到具有（200）取向率为38.6%、（222）取向率为37.8%的晶体组织的钽溅射靶。使用该溅射靶实施溅射，发现溅射速率良好，为
Figure BDA0000482495370000081
可以提高溅射效率。该结果如表1所示。
另外，溅射条件如下所示。
电源：直流方式
电功率：15kW
达到真空度：5×10-8Torr
气氛气体组成：Ar
溅射气压：5×10-3Torr
溅射时间：15秒
（实施例2）
实施例2中，使用轧辊直径为650mm的轧辊，以轧制速度20m/分钟、压下率66%将所得到的靶材冷轧成厚度24mm、直径300mmφ，将所得物在1100℃的温度下进行热处理。再次以压下率67%将所得物冷轧成厚度8mm、直径520mmφ，将所得物在900℃的温度下进行热处理。然后，对表面进行切削、研磨，从而制成靶。通过以上的工序，可以得到具有（200）取向率为39.6%、（222）取向率为34.5%的晶体组织的钽溅射靶。使用该溅射靶实施溅射，发现溅射速率良好，为
Figure BDA0000482495370000091
Figure BDA0000482495370000092
，可以提高溅射效率。该结果如表1所示。
（实施例3）
实施例3中，使用轧辊直径为500mm的轧辊，以轧制速度20m/分钟、压下率91%将所得到的靶材冷轧成厚度8mm、直径520mmφ，将所得物在1000℃的温度下进行热处理。然后，对表面进行切削、研磨，从而制成靶。通过以上的工序，可以得到具有（200）取向率为40.8%、（222）取向率为35.7%的晶体组织的钽溅射靶。使用该溅射靶实施溅射，发现溅射速率良好，为
Figure BDA0000482495370000093
，可以提高溅射效率。该结果如表1所示。
（实施例4）
实施例4中，使用轧辊直径为650mm的轧辊，以轧制速度15m/分钟、压下率65%将所得到的靶材冷轧成厚度24mm、直径300mmφ，将所得物在1100℃的温度下进行热处理。再次，以压下率67%将所得物冷轧成厚度8mm、直径520mmφ，将所得物在900℃的温度下进行热处理。然后，对表面进行切削、研磨，从而制成靶。通过以上的工序，可以得到具有（200）取向率为45.2%、（222）取向率为32.7%的晶体组织的钽溅射靶。使用该溅射靶实施溅射，发现溅射速率良好，为
Figure BDA0000482495370000101
，可以提高溅射效率。该结果如表1所示。
（实施例5）
实施例5中，使用轧辊直径为650mm的轧辊，以轧制速度15m/分钟、压下率90%将所得到的靶材冷轧成厚度8mm、直径520mmφ，将所得物在1200℃的温度下进行热处理。然后，对表面进行切削、研磨，从而制成靶。通过以上的工序，可以得到具有（200）取向率为53.4%、（222）取向率为21.2%的晶体组织的钽溅射靶。使用该溅射靶实施溅射，发现溅射速率良好，为
Figure BDA0000482495370000102
，可以提高溅射效率。该结果如表1所示。
（实施例6）
实施例6中，使用轧辊直径为500mm的轧辊，以轧制速度20m/分钟、压下率92%将所得到的靶材冷轧成厚度8mm、直径520mmφ，将所得物在900℃的温度下进行热处理。然后，对表面进行切削、研磨，从而制成靶。通过以上的工序，可以得到具有（200）取向率为55.4%、（222）取向率为20.4%的晶体组织的钽溅射靶。使用该溅射靶实施溅射，发现溅射速率良好，为
Figure BDA0000482495370000103
，可以提高溅射效率。该结果如表1所示。
（实施例7）
实施例7中，使用轧辊直径为500mm的轧辊，以轧制速度10m/分钟、压下率90%将所得到的靶材冷轧成厚度8mm、直径520mmφ，将所得物在1400℃的温度下进行热处理。然后，对表面进行切削、研磨，从而制成靶。通过以上的工序，可以得到具有（200）取向率为63.9%、（222）取向率为16.8%的晶体组织的钽溅射靶。使用该溅射靶实施溅射，发现溅射速率良好，为
Figure BDA0000482495370000112
，可以提高溅射效率。该结果如表1所示。
（实施例8）
实施例8中，使用轧辊直径为500mm的轧辊，以轧制速度20m/分钟、压下率82%将所得到的靶材冷轧成厚度8mm、直径520mmφ，将所得物在900℃的温度下进行热处理。然后，对表面进行切削、研磨，从而制成靶。通过以上的工序，可以得到具有（200）取向率为69.8%、（222）取向率为12.1%的晶体组织的钽溅射靶。使用该溅射靶实施溅射，发现溅射速率良好，为
Figure BDA0000482495370000113
，可以提高溅射效率。该结果如表1所示。
（比较例1）
比较例1中，使用轧辊直径为650mm的轧辊，以轧制速度20m/分钟、压下率80%将所得到的靶材冷轧成厚度8mm、直径520mmφ，将所得物在800℃的温度下进行热处理。然后，对表面进行切削、研磨，从而制成靶。通过以上的工序，可以得到具有（200）取向率为77.2%、（222）取向率为9.6%的晶体组织的钽溅射靶。使用该溅射靶实施溅射，发现溅射速率差，为
Figure BDA0000482495370000114
，成为使生产能力降低的原因。该结果同样如表1所示。
（比较例2）
比较例2中，使用轧辊直径为500mm的轧辊，以轧制速度15m/分钟、压下率80%将所得到的靶材冷轧成厚度8mm、直径520mmφ，将所得物在800℃的温度下进行热处理。然后，对表面进行切削、研磨，从而制成靶。通过以上的工序，可以得到具有（200）取向率为78.7%、（222）取向率为8.3%的晶体组织的钽溅射靶。使用该溅射靶实施溅射，发现溅射速率差，为成为使生产能力降低的原因。该结果同样如表1所示。
（比较例3）
比较例3中，使用轧辊直径为400mm的轧辊，以轧制速度10m/分钟、压下率78%将所得到的靶材冷轧成厚度8mm、直径520mmφ，将所得物在1100℃的温度下进行热处理。然后，对表面进行切削、研磨，从而制成靶。通过以上的工序，可以得到具有（200）取向率为85.3%、（222）取向率为8.0%的晶体组织的钽溅射靶。使用该溅射靶实施溅射，发现溅射速率差，为
Figure BDA0000482495370000121
成为使生产能力降低的原因。该结果同样如表1所示。
（比较例4）
比较例4中，使用轧辊直径为400mm的轧辊，以轧制速度10m/分钟、压下率75%将所得到的靶材冷轧成厚度8mm、直径520mmφ，将所得物在1200℃的温度下进行热处理。然后，对表面进行切削、研磨，从而制成靶。通过以上的工序，可以得到具有（200）取向率为87.5%、（222）取向率为6.8%的晶体组织的钽溅射靶。使用该溅射靶实施溅射，发现溅射速率差，为
Figure BDA0000482495370000122
，成为使生产能力降低的原因。该结果同样如表1所示。
如以上的实施例和比较例所示，处于本申请发明的条件的范围内的靶，溅射速率快，可以提高生产能力。另外，实施例和比较例中的晶体取向与溅射速率的关系如图1所示。如图1所示可知，随着（200）面的取向率降低，并且随着（222）面的取向率升高，溅射速率变快。
[表1]
Figure BDA0000482495370000131
产业实用性
本发明提供一种钽溅射靶，其通过控制靶的溅射面的晶体取向，具有如下优良效果：可以提高溅射速率，由此能够在短时间内形成需要的膜厚，可以提高生产能力。
本发明的溅射靶特别是可用于形成可以有效地防止由活泼的Cu的扩散所造成的布线周围的污染的包含Ta膜或TaN膜等的扩散阻挡层。

Claims (13)

1.一种钽溅射靶，其特征在于，
在钽溅射靶的溅射面上，（200）面的取向率为70%以下、并且（222）面的取向率为10%以上。
2.如权利要求1所述的钽溅射靶，其特征在于，
在钽溅射靶的溅射面上，（200）面的取向率为60%以下、并且（222）面的取向率为20%以上。
3.如权利要求1所述的钽溅射靶，其特征在于，
在钽溅射靶的溅射面上，（200）面的取向率为50%以下、并且（222）面的取向率为30%以上。
4.一种扩散阻挡层用薄膜，其使用权利要求1～3中任一项所述的溅射靶而形成。
5.一种半导体器件，其使用权利要求4所述的扩散阻挡层用薄膜。
6.一种钽溅射靶的制造方法，其特征在于，
将熔炼铸造而成的钽锭锻造和再结晶退火后，进行轧制和热处理，形成在靶的溅射面上（200）面的取向率为70%以下、并且（222）面的取向率为10%以上的晶体组织。
7.如权利要求6所述的钽溅射靶的制造方法，其特征在于，
将熔炼铸造而成的钽锭锻造和再结晶退火后，进行轧制和热处理，形成在靶的溅射面上（200）面的取向率为60%以下、并且（222）面的取向率为20%以上的晶体组织。
8.如权利要求6所述的钽溅射靶的制造方法，其特征在于，
将熔炼铸造而成的钽锭锻造和再结晶退火后，进行轧制和热处理，形成在靶的溅射面上（200）面的取向率为50%以下、并且（222）面的取向率为30%以上的晶体组织。
9.如权利要求6～8中任一项所述的钽溅射靶的制造方法，其特征在于，
使用轧辊直径为500mm以上的轧辊以10m/分钟以上的轧制速度、超过80%的压下率进行冷轧。
10.如权利要求6～8中任一项所述的钽溅射靶的制造方法，其特征在于，
将轧制和热处理重复两次以上，使用轧辊直径为500mm以上的轧辊以10m/分钟以上的轧制速度、60%以上的压下率进行冷轧。
11.如权利要求6～10中任一项所述的钽溅射靶的制造方法，其特征在于，
在900℃～1400℃的温度下进行热处理。
12.如权利要求6～11中任一项所述的钽溅射靶的制造方法，其特征在于，
将锻造和再结晶退火重复两次以上。
13.如权利要求6～12中任一项所述的钽溅射靶的制造方法，其特征在于，
在轧制和热处理后，通过切削、研磨进行表面精加工。
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