CN103827349B - 溅射靶及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种背衬板一体型溅射靶，其特征在于，背衬板一体型溅射靶中，凸缘部的维氏硬度Hv为90以上，且凸缘部的0.2%屈服应力为6.98×107N/m2以上。通过仅提高靶的凸缘部的机械强度，能够抑制溅射中靶的变形，并且不会改变现有的溅射特性，能够形成均匀性优良的薄膜。由此，能够提高微细化、高集成化发达的半导体产品的成品率、可靠性。

Description

溅射靶及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体装置的薄膜形成用溅射靶。特别是涉及用于形成半导体铜合金布线的具备自扩散抑制功能的铜锰合金溅射靶。
背景技术
以往，作为半导体元件的布线材料，一直使用Al合金(电阻率：约3.0μΩ·cm)，但随着布线的微细化，电阻更低的铜布线(电阻率：约2.0μΩ·cm)得到实用化。作为铜布线的形成工艺，一般进行如下工艺：在布线或布线槽上形成Ta或TaN等的扩散阻挡层，然后，将铜溅射成膜。关于铜，通常通过将纯度约4N(除气体成分以外)的电解铜作为粗金属，利用湿式或干式的高纯度化工艺制造5N～6N的高纯度铜，将其制成溅射靶来使用。
如上所述，作为半导体用布线，铜非常有效，但铜本身是活性非常高的金属，容易扩散，会产生透过半导体Si衬底或其上的绝缘膜而污染Si衬底或其周围的问题。特别是随着布线的微细化，仅形成以往的Ta或TaN的扩散阻挡层是不够的，还要求对铜布线材料本身进行改良。因此，迄今为止，作为铜布线材料，提出了向铜(Cu)中添加锰(Mn)、使Cu-Mn合金中的Mn与绝缘膜的氧反应而自发地形成阻挡层的、具备自扩散抑制功能的铜合金(例如，专利文献1)。
上述溅射靶通常使用背衬板和粘合材料等进行接合。然后，在靶的使用后，需要停止溅射装置来更换使用过的靶，但为了尽可能缩短该停止时间(中断时间)，削减制造成本，需要使靶和背衬板成为一体型，使靶本身的厚度变厚。但是，这样的一体型靶存在机械强度不足、溅射中靶产生翘曲等变形的缺点。
为了克服这样的缺点，例如在专利文献2中提出了如下技术：对于用相同材料制作靶和背衬板而得到的一体结构型靶而言，通过对靶进行塑性加工而提高机械强度，即使以高输出功率进行溅射，也不会产生靶的翘曲等。但是，为了提高靶整体的机械强度而改变塑性加工的条件时，存在靶本身的溅射特性发生变化、不能满足期望的产品性能的问题。
另外，在专利文献3中记载了如下技术：对溅射靶的非侵蚀部照射激光而形成凹坑，使其凹坑的底面的硬度比非侵蚀部表面的硬度小，由此阻止粗大粉粒的产生。但是，该技术是通过激光照射来软化熔化部分从而使凹坑的底面的硬度比非侵蚀部的表面的硬度小的技术，不是提高靶的强度从而控制溅射时的靶变形的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-73863号公报
专利文献2：日本特开2002-121662号公报
专利文献3：日本特开平9-209133号公报
发明内容
发明所要解决的问题
本发明的课题在于，对于背衬板一体型溅射靶而言，通过仅提高靶的凸缘部的机械强度，能够抑制溅射中靶的变形，并且不会改变现有的溅射特性，由此，能够形成均匀性(uniformity)优良的薄膜，能够提高微细化、高集成化发达的半导体产品的成品率、可靠性。
特别是，本发明的课题在于提供具有自扩散抑制功能、能够有效地防止由活性Cu的扩散导致的布线周围的污染的、可用于形成抗电迁移(EM)性、耐腐蚀性等优良的半导体用铜合金布线的铜锰合金溅射靶。
用于解决问题的手段
为了解决上述问题，本发明提供以下的发明。
本发明提供：
1)一种背衬板一体型溅射靶，其特征在于，背衬板一体型溅射靶中，凸缘部的维氏硬度Hv为90以上，且凸缘部的0.2%屈服应力为6.98×107N/m2以上。
2)根据上述1)所述的背衬板一体型溅射靶，其特征在于，溅射靶和背衬板由Cu-Mn合金形成。
3)根据上述2)所述的背衬板一体型溅射靶，其特征在于，溅射面的(111)取向率为50%以下。
4)一种背衬板一体型溅射靶的制造方法，其特征在于，在对靶材进行塑性加工后，进一步仅对凸缘部进行塑性加工。
5)根据上述4)所述的背衬板一体型溅射靶的制造方法，其特征在于，溅射靶和背衬板由Cu-Mn合金形成。
发明效果
本发明的背衬板一体型溅射靶，通过仅提高靶的凸缘部的机械强度，能够抑制溅射中靶的变形，并且不会改变现有的溅射特性，由此，具有如下优良效果：能够形成均匀性优良的薄膜，能够提高微细化、高集成化发达的半导体产品的成品率、可靠性。
特别是，对于可用于形成半导体用铜合金布线的高纯度铜锰合金溅射靶而言，具有自扩散抑制功能，能够有效地防止由活性Cu的扩散导致的布线周围的污染，具有抗电迁移(EM)性、耐腐蚀性等优良的效果。
具体实施方式
在本发明中，背衬板一体型溅射靶是指溅射靶与背衬板成为一体并由相同材料制造。对于现有的溅射靶与背衬板的两件式(two-piece)靶而言，能够利用背衬板保持机械强度，因此，即使像本发明这样机械强度不足，也不会存在溅射中靶产生变形(翘曲等)的问题。对于像本发明这样的使溅射靶与背衬板成为一体而具有足够厚度的溅射靶而言，明显存在变形的问题。
在本发明中，对于背衬板一体型溅射靶，使凸缘部的维氏硬度Hv为90以上，且使0.2%屈服应力为6.98×107N/m2以上。
如果凸缘部的维氏硬度Hv低于90或0.2%屈服应力低于6.98×107N/m2，则靶整体的机械强度不充分，因此，溅射中的靶产生翘曲，使膜厚均匀性(均匀性)降低，因此不优选。
在本发明中，凸缘部是用于将背衬板一体型靶安装到溅射装置中的接口部分，不是预定溅射凸缘部本身。
另外，在本发明中，优选背衬板一体型溅射靶由Cu-Mn合金形成。Cu-Mn合金可用于形成半导体用铜合金布线，具有自扩散抑制功能，能够有效地防止由活性Cu的扩散导致的布线周围的污染，具有抗电迁移(EM)性、耐腐蚀性等优良的效果。
对于上述Cu-Mn合金而言，优选使Mn含量为0.05重量%以上且20重量%以下。如果Mn含量低于0.05重量%，则自扩散抑制功能减弱，如果Mn含量超过20重量%，则电阻增大，作为半导体用铜合金布线的功能降低，因此不优选。进一步优选Mn含量为0.5重量%以上且10重量%以下。
另外，在本发明中，对于包含Cu-Mn合金的背衬板一体型溅射靶，优选使溅射面的(111)取向率为50%以下。对于溅射面而言，如果(111)取向率超过50%，则得不到现有的溅射特性，需要再调节溅射条件，因此不优选。
另外，在本发明中，背衬板一体型溅射靶的制造中，例如，对熔化得到的金属、合金进行铸造，制作锭，将该锭以预定的锻造比进行锻造，然后以预定的压下率进行轧制而得到轧制板。
进而，对该轧制板的外周部(相当于凸缘部)进行锻造(锤锻、模锻等)，从而提高机械强度。在制作本发明的靶时，重要的是对该轧制板的外周部进行锻造。通过改变锻造方法、锻造条件，能够适当调节外周部的机械强度。但是，如果最终能够调节至维氏硬度Hv90以上、0.2%屈服应力6.98×107N/m2以上的范围，则不需要对该锻造工序进行特别限制。
接着，以预定的温度及时间对其进行热处理。然后，进行精加工，制造背衬板一体型溅射靶。
实施例
接着，基于实施例对本发明进行说明。以下所示的实施例是为了便于理解本发明，本发明不受这些实施例的限制。即，基于本发明的技术构思的变形及其他实施例当然包含在本发明中。
(实施例1)
在实施例1中，对熔化铸造而得到的Cu-Mn合金(Mn1重量%)锭进行锻造、轧制，制作轧制板，进一步对该轧制板的外周部(相当于凸缘部)进行锻造。接着，对其进行热处理，然后骤冷，得到靶原材。然后，通过机械加工制造直径540mm、厚度25mm的背衬板一体型溅射靶。对该靶的物性进行了评价，结果，凸缘部的维氏硬度Hv为98，凸缘部的0.2%屈服应力为7.25×107N/m2，溅射面的(111)取向率为47.2%。
(实施例2)
在实施例2中，对熔化铸造而得到的Cu-Mn合金(Mn1重量%)锭进行锻造、轧制，制作轧制板，进一步对该轧制板的外周部(相当于凸缘部)进行锻造。接着，对其进行热处理，然后骤冷，得到靶原材。然后，通过机械加工制造直径540mm、厚度25mm的背衬板一体型溅射靶。对该靶的物性进行了评价，结果，凸缘部的维氏硬度Hv为95，凸缘部的0.2%屈服应力为7.13×107N/m2，溅射面的(111)取向率为48.0%。
(实施例3)
在实施例3中，对熔化铸造而得到的Cu-Mn合金(Mn1重量%)锭进行锻造、轧制，制作轧制板，进一步对该轧制板的外周部(相当于凸缘部)进行锻造。接着，对其进行热处理，然后骤冷，得到靶原材。然后，通过机械加工制造直径540mm、厚度25mm的背衬板一体型溅射靶。对该靶的物性进行了评价，结果，凸缘部的维氏硬度Hv为91，凸缘部的0.2%屈服应力为6.98×107N/m2，溅射面的(111)取向率为48.9%。
(实施例4)
在实施例4中，对熔化铸造而得到的Cu-Mn合金(Mn1重量%)锭进行锻造、轧制，制作轧制板，进一步对该轧制板的外周部(相当于凸缘部)进行锻造。接着，对其进行热处理，然后骤冷，得到靶原材。然后，通过机械加工制造直径850mm、厚度25mm的背衬板一体型溅射靶。对该靶的物性进行了评价，结果，凸缘部的维氏硬度Hv为97，凸缘部的0.2%屈服应力为7.24×107N/m2，溅射面的(111)取向率为47.1%。
(实施例5)
在实施例5中，对熔化铸造而得到的Cu-Mn合金(Mn0.5重量%)锭进行锻造、轧制，制作轧制板，进一步对该轧制板的外周部(相当于凸缘部)进行锻造。接着，对其进行热处理，然后骤冷，得到靶原材。然后，通过机械加工制造直径540mm、厚度25mm的背衬板一体型溅射靶。对该靶的物性进行了评价，结果，凸缘部的维氏硬度Hv为96，凸缘部的0.2%屈服应力为7.31×107N/m2，溅射面的(111)取向率为48.2%。
(实施例6)
在实施例6中，对熔化铸造而得到的Cu-Mn合金(Mn10重量%)锭进行锻造、轧制，制作轧制板，进一步对该轧制板的外周部(相当于凸缘部)进行锻造。接着，对其进行热处理，然后骤冷，得到靶原材。然后，通过机械加工制造直径540mm、厚度25mm的背衬板一体型溅射靶。对该靶的物性进行了评价，结果，凸缘部的维氏硬度Hv为96，凸缘部的0.2%屈服应力为7.21×107N/m2，溅射面的(111)取向率为47.9%。
(实施例7)
在实施例7中，对熔化铸造而得到的Cu-Mn合金(Mn15重量%)锭进行锻造、轧制，制作轧制板，进一步对该轧制板的外周部(相当于凸缘部)进行锻造。接着，对其进行热处理，然后骤冷，得到靶原材。然后，通过机械加工制造直径540mm、厚度25mm的背衬板一体型溅射靶。对该靶的物性进行了评价，结果，凸缘部的维氏硬度Hv为95，凸缘部的0.2%屈服应力为7.19×107N/m2，溅射面的(111)取向率为48.3%。
(比较例1)
在比较例1中，对熔化铸造而得到的Cu-Mn合金(Mn1重量%)锭进行锻造、轧制，制作轧制板。接着，对其进行热处理，然后骤冷，得到靶原材。然后，对其进行机械加工，制成直径540mm、厚度25mm的背衬板一体型溅射靶。对该靶的物性进行了评价，结果，凸缘部的维氏硬度Hv为63，凸缘部的0.2%屈服应力为4.72×107N/m2，溅射面的(111)取向率为55.3%。
(比较例2)
在比较例2中，对熔化铸造而得到的Cu-Mn合金(Mn1重量%)锭进行锻造、轧制，制作轧制板。接着，对其进行热处理，然后骤冷，得到靶原材。然后，对其进行机械加工，制成直径540mm、厚度25mm的背衬板一体型溅射靶。对该靶的物性进行了评价，结果，凸缘部的维氏硬度Hv为51，凸缘部的0.2%屈服应力为3.92×107N/m2，溅射面的(111)取向率为53.2%。
(比较例3)
在比较例3中，对熔化铸造而得到的Cu-Mn合金(Mn1重量%)锭进行锻造、轧制，制作轧制板。接着，对其进行热处理，然后骤冷，得到靶原材。然后，对其进行机械加工，制成直径540mm、厚度25mm的背衬板一体型溅射靶。对该靶的物性进行了评价，结果，凸缘部的维氏硬度Hv为48，凸缘部的0.2%屈服应力为3.58×107N/m2，溅射面的(111)取向率为54.1%。
(比较例4)
在比较例4中，对熔化铸造而得到的Cu-Mn合金(Mn1重量%)锭进行锻造、轧制，制作轧制板。接着，对其进行热处理，然后骤冷，得到靶原材。然后，对其进行机械加工，制成直径850mm、厚度25mm的背衬板一体型溅射靶。对该靶的物性进行了评价，结果，凸缘部的维氏硬度Hv为62，凸缘部的0.2%屈服应力为4.70×107N/m2，溅射面的(111)取向率为55.5%。
接着，将实施例1～3、5～7、比较例1～3的靶安装到溅射装置中，在输入功率40kW、Ar气压55Pa的条件下进行溅射，测定溅射后的靶的翘曲量(表1)。如表1所示，实施例1～3、5～7的靶的翘曲量为0.02mm～0.05mm，得到了变形少于比较例1～3的翘曲量0.8mm～1.3mm的靶。
另外，测定成膜后的薄膜的薄层电阻率，算出其膜厚均匀性(表1)。如表1所示，使用实施例1～3、5～7的靶形成的薄膜的膜厚均匀性为2.3%～2.8%，与使用比较例1～3的靶时的膜厚均匀性5.6%～6.3%相比，显示出膜厚均匀性(均匀性)良好的结果。
需要说明的是，在实施例4及比较例4中，靶直径大而未能安装到溅射装置中，因此，未能评价溅射后的靶的翘曲量及薄膜的膜厚均匀性。但是，实施例4及比较例4中靶的凸缘部的维氏硬度、0.2%屈服应力、溅射面的(111)取向率分别为与其他实施例及比较例同等的程度，因此，可以推测得到同样的效果(溅射后的靶的翘曲量、膜厚均匀性)。
由实施例5-7确认了：即使在使Mn含量在0.05～20重量%的范围内变化的情况下，也能够得到良好的靶的物性，能够得到溅射后的靶的翘曲量及膜厚均匀性。
产业实用性
本发明提供背衬板一体型溅射靶，通过仅提高靶的凸缘部的机械强度，能够抑制溅射中靶的变形，并且不会改变现有的溅射特性，由此，具有如下优良效果：能够形成均匀性优良的薄膜，因此，能够提高微细化、高集成化发达的半导体产品的成品率、可靠性。
特别是，本发明的背衬板一体型溅射靶具有自扩散抑制功能，能够有效地防止由活性Cu的扩散导致的布线周围的污染，可用于形成抗电迁移(EM)性、耐腐蚀性等优良的半导体用铜锰合金布线。

Claims (5)

1.一种背衬板一体型溅射靶，包含Mn为0.05～20重量％且余量由Cu构成的Cu-Mn合金靶，所述背衬板一体型溅射靶的特征在于，凸缘部的机械强度高于凸缘部以外的靶部位的机械强度，凸缘部的维氏硬度Hv为90以上，且凸缘部的0.2％屈服应力为6.98×107N/m2以上。
2.根据权利要求1所述的背衬板一体型溅射靶，其特征在于，溅射靶和背衬板由Cu-Mn合金形成。
3.根据权利要求2所述的背衬板一体型溅射靶，其特征在于，溅射面的(111)取向率为50％以下。
4.一种背衬板一体型溅射靶的制造方法，其特征在于，在对Mn为0.05～20重量％且余量由Cu构成的Cu-Mn合金靶材进行塑性加工后，进一步仅对凸缘部进行塑性加工，使凸缘部的机械强度高于凸缘部以外的靶部位的机械强度，凸缘部的维氏硬度Hv为90以上，且凸缘部的0.2％屈服应力为6.98×107N/m2以上。
5.根据权利要求4所述的背衬板一体型溅射靶的制造方法，其特征在于，溅射靶和背衬板由Cu-Mn合金形成。
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