CN107532287A - 钽溅射靶及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种钽溅射靶，其中，在使用背散射电子衍射法对作为与靶的溅射面垂直的截面的轧制面法线方向ND进行观察时，{111}面沿ND取向的晶粒的面积率为35％以上。本发明的课题在于提供在高功率溅射的情况下，通过增强溅射物质的直进性，能够在晶片面上将溅射物质均匀地成膜的钽溅射靶。在使用这样的钽靶进行溅射的情况下，即使对于微细布线而言也能够提高膜厚的均匀性和成膜的生产能力。

Description

钽溅射靶及其制造方法

技术领域

本发明涉及适合于形成半导体集成电路的布线中的阻挡籽晶层的钽溅射靶，特别是涉及通过增强溅射物质的直进性、即使在高功率溅射的情况下也能够实现良好的膜厚均匀性的钽溅射靶及其制造方法。

背景技术

在电子领域、耐腐蚀性材料或装饰领域、催化剂领域、切削/研磨材料或耐磨性材料的制作等诸多领域中，使用形成金属或陶瓷材料等的覆膜的溅射法。溅射法本身是上述领域中熟知的方法，但是最近特别是在电子领域中要求适合于形成复杂形状的覆膜或电路的钽溅射靶。

通常，该钽靶通过对将钽原料电子束熔炼、铸造而得到的锭或坯料进行锻造、退火(热处理)，再进行轧制和精加工(机械加工、研磨等)而加工成靶。在这样的制造工序中，对于经熔炼铸造而得到的锭或坯料而言，通过锻造和再结晶退火，铸造组织被破坏，得到均匀且微细的晶粒。

在实施溅射的情况下，靶的晶粒越细且越均匀，越能够进行均匀的成膜，越能够得到具有稳定特性的膜。另外，为了改善成膜的均匀性，在靶的整个厚度方向上使晶体取向一致也是有效的。需要说明的是，关于钽溅射靶，已知以下的现有技术(专利文献1～11)。

近年来，为了提高溅射的成膜速度，进行使用磁控溅射装置的高功率溅射。另一方面，对于高功率溅射而言，难以控制由靶释放出的物质的方向，在一味追求微细化的半导体集成电路的布线中，难以在晶片面上将溅射物质均匀地成膜，特别是在进行填充到长径比大的布线孔中的情况下，该问题是显著的。

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：WO2006/117949号公报

专利文献3：日本特开平11-80942号公报

专利文献4：日本特开2004-162117号公报

专利文献5：WO2004/090193号公报

专利文献6：WO2005/045090号公报

专利文献7：日本特表2008-532765号公报

专利文献8：日本特表2007-536431号公报

专利文献9：日本特表2002-530534号公报

专利文献10：日本特开2002-363736号公报

专利文献11：日本特开2001-295035号公报

发明内容

发明所要解决的问题

本发明的课题在于提供在高功率溅射的情况下能够高速且均匀地成膜的钽溅射靶。在使用这样的钽靶进行溅射成膜的情况下，即使对于微细布线而言也能够形成膜厚均匀性优良的薄膜，并且能够提高薄膜形成工艺中的生产率。

用于解决问题的手段

为了解决上述课题，本发明人进行了深入研究，结果发现：在通过对轧制方法进行设计而将钽溅射靶的组织取向调节为规定状态的情况下，在高功率溅射的情况下，能够增强溅射物质的直进性，能够在晶片面上将溅射物质均匀地成膜，特别是，即使对于高长径比的微细布线孔而言，也能够良好地填充，并且能够改善成膜的生产能力。

基于这样的发现，提供以下的发明。

1)一种钽溅射靶，其特征在于，在使用背散射电子衍射法对作为与靶的溅射面垂直的截面的轧制面法线方向ND进行观察时，{111}面沿ND取向的晶粒的面积率为35％以上。

2)如上述1所述的钽溅射靶，其特征在于，在使用背散射电子衍射法对作为与靶的溅射面垂直的截面的轧制面法线方向ND进行观察时，{111}面沿ND取向的晶粒的面积率与{100}面沿ND取向的晶粒的面积率之比{111}/{100}为2.0以上。

发明效果

本发明中，对于钽溅射靶而言，通过将其组织取向调节为规定的状态，在高功率溅射的情况下，能够增强溅射物质的直进性，能够在晶片面上将溅射物质均匀地成膜，因此，对于微细布线而言能够兼顾成膜的生产能力的提高和膜厚的均匀性。特别是，对于在长径比大的布线孔中均匀地成膜的情况有效。

附图说明

图1是示出溅射靶的组织的观察部位的图。

图2是示出形成在晶片上的膜的薄层电阻的测定位置的图。

图3是实施例1的靶的通过EBSP观察得到的晶体取向分布。

具体实施方式

本发明的溅射靶的特征在于，在使用背散射电子衍射法(EBSP法)对作为与靶的溅射面垂直的截面的轧制面法线方向ND进行观察时，{111}面沿ND取向的晶粒的面积率为35％以上。关于面积率，使用EBSP装置(JSM-7001FTTLS型场发射电子显微镜/晶体取向分析装置OIM6.0-CCD/BS)，如图1(右图)所示，对于与溅射面垂直的截面的组织(宽度：2mm、高度：6.35mm)观察图1(左图)的5个位置，求出{111}面沿ND取向的晶粒的平均面积率。

对于具有体心立方结构的钽而言，原子的最密排方向为<111>，溅射面与该最密排方向的关系对于溅射物质的飞行方向的控制是重要的。在{111}面沿轧制面法线方向(ND)取向的情况下，最密排方向与溅射面的法线方向一致，因此能够增强溅射物质的直进性。需要说明的是，{111}面沿ND取向的晶粒中包括{111}面相对于轧制面法线方向(ND)的取向偏差在15°以内的晶粒。另外，具有{111}面的晶粒的面积率的上限值没有特别限制，但是实际上难以达到60％以上。

另外，本发明中，优选在使用背散射电子衍射法(EBSP法)对作为与靶的溅射面垂直的截面的轧制面法线方向ND进行观察时，{111}面沿ND取向的晶粒的面积率与{100}面沿ND取向的晶粒的面积率之比{111}/{100}为2.0以上。在{100}面沿轧制面法线方向(ND)取向的情况下，最密排方向相对于溅射面法线方向的角度增大(变为大角度)，因此该面的比率降低，由此能够进一步提高溅射成膜的直进性。该{111}/{100}的比率越大，越能够加快成膜速度。另外，理由虽不确定，但结果是也能够进行膜厚均匀性优良的成膜。需要说明的是，{100}面沿ND取向的晶粒中包括{100}面相对于轧制面法线方向(ND)的取向偏差在15°以内的晶粒。另外，具有{100}面的晶粒的面积率通过与上述具有{111}面的晶粒的面积率同样的方法求出。

另外，本发明中，对于钽靶而言，优选纯度为99.99％以上。靶中的杂质成为在半导体集成电路中使器件特性劣化的原因，因此优选尽可能高纯度的靶。本发明中，纯度99.99％(4N)是指：利用辉光放电质谱法(GDMS)对Ta锭进行分析，Na、Al、Si、K、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr的合计值小于100ppm。

本发明的钽溅射靶的制造方法如下所述。

首先，对钽进行熔炼，对其进行铸造而制作锭，然后对该锭进行锻造。然后，对锭进行压实锻造(締め鍛造)而制成坯料，将其切割为适当的尺寸，然后进行热处理。然后，进行一次锻造、一次热处理，再进行二次锻造，然后进行两等分，并进行二次热处理(优选950℃～1100℃)。本发明并不受上述工序的特别限制，为了调节锻造组织，可以适当选择锻造次数、热处理温度来实施。

接着，1)沿一个方向连续轧制两次以上，2)旋转90度，再连续轧制两次以上，按照1→2→1→2→…的方式将上述操作重复两组以上，然后制成规定的板厚。上述轧制按照以12％以上的压下率控制组织取向、使总轧制率为85％以上的方式进行调节。轧制的道次次数大大有助于取向的控制，道次次数较多时能够增大{100}取向率，但是另一方面，道次次数多时轧制的工时增加，因此适当调节该道次次数的条件是重要的。可以在轧制中进行热处理，但是推荐的是，在轧制中不进行热处理而如后所述在最终轧制后在750℃～1000℃下进行热处理(优选4小时以上)。

接着，对该轧制材料进行优选750℃～1000℃、1小时以上的热处理，然后，将其机械加工为所期望的形状而制成靶。由此，能够有效地进行锻造组织的破坏并且通过轧制形成均匀且微细的组织。对于通过轧制加工、热处理而形成的本发明的织构，利用EBSP法了解哪个面择优取向，将其结果反馈到轧制加工、热处理的条件，由此能够得到所期望的组织取向。

实施例

接着，对实施例进行说明。需要说明的是，本实施例用于示出发明的一例，本发明并不限于这些实施例。即，本发明包括包含在本发明的技术构思中的其它方式和变形。

实施例、比较例中的评价方法等如下所述。

(关于膜厚均匀性及其变动率)

膜厚均匀性及其变动率使用各靶寿命(各晶片)的膜厚变动率(标准偏差/平均值×100)的“平均值”和“标准偏差”进行评价。靶寿命可以用溅射时的电功率与总溅射时间的乘积来表示。例如，在15kW的电功率下溅射100小时的情况下，靶寿命为1500kWh。

作为具体的评价，首先，进行每次300kWh(在电功率300kW下进行1小时)溅射，在总计7片晶片上进行成膜。然后，如图2所示测定各晶片的面内的49个位置处的薄层电阻，将其值换算为膜厚(将钽的电阻值设定为180μΩcm)，求出膜厚的标准偏差和平均值。然后，对各晶片分别计算出面内的膜厚变动率(％)＝标准偏差/平均值×100，将对该各晶片计算出的“膜厚变动率”的平均值作为膜厚均匀性。关于该膜厚均匀性的“变动率”，使用上述求出的各晶片的膜厚的变动率，得出晶片间的(相对于靶寿命的)标准偏差/平均值(相当于膜厚均匀性)×100。

(实施例1)

对纯度99.997％的钽原料进行电子束熔解、铸造，从而制成长度1000mm、直径195mmφ的锭。接着，对该锭进行冷压实锻造，制成直径150mm，然后以所需要的长度进行切割，从而得到坯料。接着，在1250℃的温度下进行热处理，再次进行一次冷锻，在1000℃下进行热处理，接着进行二次冷锻，进行两等分，再次在1000℃下进行热处理。

接着，对锻造坯料进行冷轧。轧制工序中，将压下率为12％以上的连续轧制道次重复总计10组，然后，以压下率小于12％的轧制道次进行轧制。轧制后，对其在800℃下进行热处理。接着，对所得到的厚度10mm、500mmφ的靶材料进行机械精加工，从而制作出厚度6.35mm、450mmφ的钽溅射靶。

对于通过以上工序得到的钽溅射靶，用砂纸(相当于#2000)对其表面进行打磨，然后使用POLIPLA液进行抛光而精加工成镜面，然后，利用氢氟酸、硝酸、盐酸的混合液进行处理。对于所得到的研磨面，使用EBSP装置(JSM-7001FTTLS型场发射电子显微镜/晶体取向分析装置OIM6.0-CCD/BS)，如图1所示对与溅射面垂直的截面的组织(宽度：2mm、高度：6.35mm)的5个位置进行观察。图3中示出晶体取向分布。其结果是，具有{111}面的晶粒的面积率为50.5％。{100}面沿ND取向的晶粒的面积率为7.5％。另外，{111}/{100}的面积率之比为6.73。接着，使用该靶实施溅射，结果膜厚均匀性为2.2，膜厚均匀性的变动率为0.15，是良好的。另外，得到了成膜速度为/秒的所期望的溅射速率。将该结果同样示于表1。

(实施例2-5)

使用与实施例1同样的方法等制作锻造坯料。接着，对锻造坯料进行冷轧。轧制工序中，按照表1所示调节压下率为12％以上的连续轧制道次的组数，然后，以压下率为6％以上的轧制道次进行轧制，使得总压下率为85％以上。轧制后，在800℃下进行热处理。接着，对所得到的厚度10mm、500mmφ的靶材料进行机械精加工，从而制作出厚度6.35mm、450mmφ的钽溅射靶。

对于通过以上工序得到的溅射靶，使用与实施例1同样的方法对与靶的溅射面垂直的截面的组织进行观察。其结果是，{111}面沿ND取向的晶粒的面积率均为35％以上。另外，{111}/{100}的面积率之比均为2.0以上。接着，使用该靶实施溅射，结果膜厚均匀性和膜厚均匀性的变动率良好。另外，对于成膜速度而言，也得到了所期望的溅射速率。将这些结果同样示于表1。

(比较例1-5)

使用与实施例1同样的方法等制作锻造坯料。接着，对锻造坯料进行冷轧。轧制工序中，按照表1所示调节压下率为12％以上的连续轧制道次的组数，然后，以压下率为6％以上的轧制道次进行轧制，使得总压下率为85％以上。轧制后，在800℃下进行热处理。接着，对所得到的厚度10mm、350mmφ的靶材料进行机械精加工，从而制作出厚度6.35mm、320mmφ的钽溅射靶。

对于通过以上工序得到的溅射靶，使用与实施例1同样的方法，对与靶的溅射面垂直的截面的组织进行观察。其结果是，沿{111}面取向的晶粒的面积率均小于35％。另外，{111}/{100}的面积率之比均为2.0以上。接着，使用该靶实施溅射，结果膜厚均匀性和/或膜厚均匀性的变动率降低。另外，为高溅射速率。将这些结果同样示于表1。

[表1]

判定基准

产业实用性

本发明中，对于钽溅射靶而言，通过将其组织取向调节为规定的状态，在高功率溅射的情况下，增强溅射物质的直进性，由此能够在晶片面上将溅射物质均匀地成膜，能够兼顾膜厚均匀性和成膜的生产能力的提高。作为在半导体集成电路的元件布线用的薄膜形成中使用的钽溅射靶有用。

Claims (2)

1.一种钽溅射靶，其特征在于，在使用背散射电子衍射法对作为与靶的溅射面垂直的截面的轧制面法线方向ND进行观察时，{111}面沿ND取向的晶粒的面积率为35％以上。

2.如权利要求1所述的钽溅射靶，其特征在于，在使用背散射电子衍射法对作为与靶的溅射面垂直的截面的轧制面法线方向ND进行观察时，{111}面沿ND取向的晶粒的面积率与{100}面沿ND取向的晶粒的面积率之比{111}/{100}为2.0以上。