CN107614742A

CN107614742A - 溅射靶

Info

Publication number: CN107614742A
Application number: CN201680028414.2A
Authority: CN
Inventors: 村田周平; 山越康广; 永津光太郎
Original assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Current assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2016-05-18
Publication date: 2018-01-19
Anticipated expiration: 2036-05-18
Also published as: TW201710532A; JPWO2016186119A1; CN107614742B; WO2016186119A1; JP6847076B2; US20180144912A1; US10984992B2; KR20170141761A; KR102389342B1; TWI695076B; JP6367483B2; JP2018159132A; KR20200129190A

Abstract

一种溅射靶，其具备平坦部和锥形部，其特征在于，在靶的溅射面上配置有点燃用的加工槽。能够降低点燃(等离子体点火)的点火失败率，并且能够稳定地开始溅射过程。由此，能够缩短装置的停机时间，因此能够有助于提高生产能力、改善性价比。

Description

溅射靶

技术领域

本发明涉及在溅射中能够稳定地进行溅射时的点燃(等离子体点火)的溅射靶。

背景技术

半导体集成电路的布线每一代都要求细线化，在形成这样的布线的薄膜的形成中，使用作为物理蒸镀法的一种的溅射。近年来，为了提高溅射的成膜速度，多使用利用电磁力控制等离子体的磁控溅射。在这样的最先进地使用的溅射中，稳定且容易控制的靶是不可欠缺的。在由于等离子体点火不良而导致装置停止或者产生电压变动等从而无法进行稳定的成膜的情况下，有时不仅使生产率降低，而且使产品的品质劣化。另外，如果难以控制，则在有意地改变成膜条件的情况下，有时不能开始、保持稳定的成膜。

为了形成铜布线的阻挡膜，使用包含钽的溅射靶。对于阻挡膜而言，为了形成长径比(高差的深度与开口之比)高的布线孔，需要控制成膜速度从而能够稳定地形成极薄膜。另外，为了提高溅射产率，需要以高功率进行溅射，期望即使在这样的条件下也有利于膜厚控制的、成膜速度低的靶。并且，这样的成膜控制技术承担着PVD发展的一部分任务。

对于钽靶而言，从通用性的观点出发，使用纯度4N5(99.995重量％)的钽靶，但是，为了尽可能地抑制因杂质引起的膜的粘附性的劣化、漏电流的增加等，有时使用实质上纯度6N(99.9999重量％)的钽靶。近年来，为了提高布线设计的自由度，使用这样的超高纯度的材料的情况增加。

对于靶而言，有时由于提高纯度而导致其材料软化，难以控制塑性加工后的织构的取向不均匀、利用热处理进行再结晶时的晶体粗大化等靶的品质。这些问题通过严格地控制靶的制造工艺而能够一定程度地解决，但是，即使是这样制作的高品质靶，有时也由于靶的使用环境更加严苛而显现出新的问题。

顺便说一下，溅射是连续地持续下述循环的现象：将靶作为阴极并施加电压，从靶中飞出的一次电子将引入的Ar气体电离，Ar离子被作为阴极的靶吸引并发生碰撞，击出靶材并且放出二次电子，再次将Ar电离，但是，此时，为了产生等离子体，需要点火(点燃)。

在该等离子体点火中，通过减少引入气体而提高膜品质、通过缩短电压施加时间而提高成品率、为了保护装置而限制因点火失败导致的再点火过程的次数等关于点燃过程的条件越来越严苛。在这样的情况下，对于超高纯度材料而言，点火过程容易变得不稳定，存在为了提高点火成功率而设定为低纯度品、或者为了提高品质而采用高纯度品这样的进退两难。

此处的问题只是在作为成膜过程的第一阶段的点火过程，之后的成膜过程只要等离子体稳定就可以没有问题地继续，因此，考虑制作具备仅在点火过程发挥作用、对之后的成膜没有贡献的特性的靶。需要说明的是，作为在形状上具有特征的溅射靶，已知下述专利文献1～4等。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开WO2006/054409号公报

专利文献2：日本特开2003-226965号公报

专利文献3：日本特开2003-27225号公报

专利文献4：日本特开2004-84007号公报

发明内容

发明所要解决的问题

本发明是鉴于上述情况而作出的，其课题在于提供一种能够稳定地开始溅射而不存在在溅射时的等离子体点火(点燃)时因点火不良引起的重试、装置停止等的溅射靶。特别是，课题在于提供一种即使在高纯度材料、引入气体减少等对点燃不利的情况下也能够稳定地开始溅射的溅射靶。

用于解决问题的手段

基于相关发现，本发明提供以下的技术。

1)一种溅射靶，其具备平坦部和锥形部，其特征在于，在溅射靶的锥形部配置有加工槽。

2)如上述1)所述的溅射靶，其特征在于，上述锥形部的加工槽的面积比率为0.6％以上。

3)如上述1)或2)所述的溅射靶，其特征在于，上述平坦部的加工槽的面积比率为10％以下。

4)如上述1)～3)中任一项所述的溅射靶，其特征在于，上述加工槽的深度为0.1mm以上。

5)如上述1)～4)中任一项所述的溅射靶，其特征在于，所述溅射靶包含纯度4N5以上的钽。

发明效果

本发明的溅射靶即使在减少引入气体、缩短电压施加时间等条件下也能够降低点燃(等离子体点火)的点火失败率，能够稳定地开始溅射过程。由此，能够缩短装置的停机时间，因此，能够有助于提高生产能力、改善性价比。

附图说明

图1是本发明的溅射靶的说明示意图。

图2是比较例的溅射靶的说明示意图(同心圆状加工槽)。

图3是本发明的溅射靶的说明示意图(放射状加工槽)。

图4是实施例1的溅射靶(溅射面)的照片。

图5是实施例4的溅射靶(溅射面)的照片。

图6是实施例5的溅射靶(溅射面)的照片。

图7是比较例2的溅射靶(溅射面)的照片。

具体实施方式

本发明的溅射靶的特征在于，在溅射面的锥形部配置有点燃用的加工槽。以这样的方式配置的加工槽在产生等离子体时容易产生电子雪崩，因此，能够大大地有助于点燃的发生、稳定化。其机理不一定明确，但是认为：一次带电粒子(Ar离子、电子)进入靶的加工槽时的角度变浅，因此，能够提高二次电子放出概率。

另外，认为：在加工槽的边缘部，同种带电粒子彼此的斥力减小，因此，引起电场集中，从而能够使二次电子放出概率提高。二次电子按照以一次带电粒子的进入点为起点向所有方向扩展的方式产生，因此，与平面部相比，斜面部的二次电子的放出概率提高。此外，认为：由于加工面的凹凸，气体分子、带电粒子的散射次数增加，结果使带电粒子的碰撞次数提高、使电离率提高等。

不管怎样，如后述的实施例所示，通过在溅射面的锥形部形成加工槽，能够显著地降低点燃的点火失败率。需要说明的是，在本发明中，溅射面是指溅射靶的暴露于等离子体的面。另外，锥形部是指在溅射靶的溅射面的外周端部进行了倒角加工的部分，是实质上对成膜没有贡献或者贡献少的部分。另外，平坦部是指溅射面中除了锥形部以外的实质上对成膜有贡献的部分。

以下，基于图1对本发明的溅射靶进行说明。图1(上图)示出溅射靶的溅射面，图1的(下图)示出溅射靶的截面。需要说明的是，图1只不过是为了便于理解的一个方式，本发明并不受该方式限制。本发明包括除了以下说明的方式以外的各种变形。

加工槽通常形成于靶的溅射面侧的锥形部，但是，可以不仅形成于锥形部，而且如图1所示以横跨平坦部(与相对的晶片面平行的面)的方式形成。在这种情况下，优选比靶表面的侵蚀最深的部分的2/3浅地形成于参与成膜少的部分(低侵蚀区域)。这是因为：在侵蚀进行快的部分，因加工槽而引起漏磁通量发生变化，对成膜时的电流-电压变化的影响增大。

本发明中，优选在位于靶的外周部(自从靶的中心到靶的包含锥形部的最端部为止的长度的一半起外侧的区域)的平坦部、锥形部形成加工槽。仅在锥形部形成加工槽或者在锥形部和平坦部两个区域形成加工槽有时取决于溅射装置的规格，因此，可以根据其规格适当选择。另外，这样的加工槽可以通过对溅射靶表面进行切削或滚花(利用按压件、切削件在物质表面形成凹凸槽的方法)等机械加工来形成。

另外，加工槽可以配置在1个部位或2个部位，但是优选以4个部位、8个部位、16个部位、32个部位等这样上下左右对称的方式在靶中配置多个。通过以这样的方式进行配置，在磁控溅射装置中，相对于磁体的转速约1次/秒，至少每1/4秒发挥作用，能够提高点燃的稳定性。

对于加工槽而言，与制成如图2所示的同心圆状相比，以如图3所示的放射状(以靶的中心为起点的放射状的线状)形成更有效，并且与侵蚀相伴的效果的降低(寿命依赖性)也少。特别是，优选以与靶的直径方向平行或者与直径方向所成的角度为45度以内的方式形成。另外，如果着眼于点燃效果，则不一定必须等间隔地形成加工槽，但是，如果考虑溅射膜厚分布的分布稳定性、抑制起尘，则优选等间隔地形成。

加工槽的截面形状可以为V字形、U字形、方形等，其形状可以根据加工的容易性、异物产生状况进行选择或组合。加工槽的深度与上述面积比率无关，因此没有特别限制，但是，为了便于加工，优选设定为0.3mm以上。另外，在与靶的直径方向成角度的槽的情况下，可以通过如图3所示的沿两个不同方向设置的多个槽交叉而构成格子状图案。上述加工槽的位置、与直径方向的角度、形状、部位数量等根据溅射装置的规格等选择最佳的，这是不言而喻的。

在靶的锥形部形成加工槽的情况下，该加工槽的面积比率优选设定为0.6％以上。在本发明中，加工槽的面积比率是指通过加工而切出的槽的投影于溅射面的面积。锥形部中的加工槽的面积比率小于0.6％时，有时点燃稳定化的效果降低。另一方面，在以横跨靶的平坦部的方式形成槽的情况下，该加工槽的面积比率相对于平坦部设定为最大10％。

平坦部中的加工槽的面积比率超过10％时，有时溅射时的电流值降低，施加功率变得不稳定。需要说明的是，锥形部对溅射时的施加电压没有影响，因此，在上述面积比率的计算中不包括锥形部。另外，只要在上述锥形部形成了加工槽，对于改善点燃就是有效的，因此，可以不一定在平坦部形成加工槽。在这种情况下，平坦部中的加工槽的面积比率为0％。

例如，在直径444mm的溅射靶(溅射面：直径406mm、锥形部：自406mm起外侧的面)中，在溅射面(平坦部)制作了4处宽度6mm、长度：平坦部13mm、锥形部12mm、深度3mm的截面U字型的加工槽的情况下，靶的溅射面中的加工槽的面积比率为(6×13×4)/(π×203²)×100≈0.24(％)。需要说明的是，投影面积下，有时面积相同但形状不同，但是从通过电场集中、边缘效应提高二次电子放出概率的效果这样的观点出发，形状的差异不会产生那么大影响。

上述加工槽仅与溅射靶的形状有关，其具有改善点燃的效果而与靶的材质、组成无关。但是，在用于点燃容易变得不稳定的包含高纯度材料的溅射靶、例如用于形成铜布线的阻挡膜的纯度4N5(99.995％)以上的钽靶等中的情况下，能够更有效地发挥其功能。需要说明的是，在本发明中，纯度4N5(99.995％)是指：利用辉光放电质谱法(GDMS)对熔化后的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50ppm。

实施例

以下，基于实施例进行说明。需要说明的是，本实施例只是为了便于理解的一例，本发明不受该例任何限制。即，本发明只受权利要求书限制，包括在本发明中说明的实施例以外的各种变形。

(实施例1)

在直径为444mm、溅射面的直径为406mm的钽溅射靶(纯度4N5以上)中，在其外周部，与靶的直径方向平行地且以等间隔的方式形成4处截面V字型的加工槽。将该靶的照片示于图4。将槽的宽度设定为6mm，将槽的深度设定为3mm，将槽的长度设定为平坦部13mm、锥形部12mm，将平坦部的加工槽的面积比率设定为0.24％，将锥形部的加工槽的面积比率设定为1.1％。接着，在下述条件下使用该靶实施溅射，对点燃的点火失败率((点燃失败次数/点燃实施次数)×100)进行考察。其结果是：与无加工槽的相同类型的靶相比，点火失败率从75％显著降低至34.7％。

(关于点火试验)

第1步骤“气体稳定”(5秒)

引入5sccm Ar气体。

第2步骤“点燃”(1秒(到点火为止5秒))

在引入5sccm Ar气体的状态下，利用DC电源施加1000W。

(真空度：0.2～0.3毫托)

第3步骤“抽真空”(10秒)

进行腔室内的抽真空(真空度：1～3微托)。

将上述3个步骤作为1个循环，实施点火试验。点燃的成败根据第2步骤的“点燃”中从施加开始起在5秒以内是否达到实际功率来判断。在5秒以内点燃未成功的情况下，回到第2步骤的“点燃”的开始，再次施加设定功率。将该第2步骤的“点燃”中反复进行3次施加设定功率，合计进行4次，点火也未成功的情况判断为点火失败，停止处理。

(实施例2)

在直径为444mm、溅射面的直径为406mm的钽溅射靶(纯度4N5以上)中，在其外周部，与靶的直径方向平行地且以等间隔的方式形成4处截面V字型的加工槽。将槽的宽度设定为3mm，将槽的深度设定为3mm，将槽的长度设定为平坦部13mm、锥形部12mm，将平坦部的加工槽的面积比率设定为0.12％，将锥形部的加工槽的面积比率设定为0.6％。接着，在与实施例1相同的条件下使用该靶实施溅射，对点燃的点火失败率进行考察。其结果是：与无加工槽的相同类型的靶相比，点火失败率从75％显著降低至31.6％。

(实施例3)

在直径为444mm、溅射面的直径为406mm的钽溅射靶(纯度4N5以上)中，仅在其外周锥形部，与靶的直径方向平行地且以等间隔的方式形成4处截面U字型的加工槽。将槽的宽度设定为3mm，将槽的深度设定为3mm，将槽的长度设定为平坦部0mm、锥形部12mm，将平坦部的加工槽的面积比率设定为0％，将锥形部的加工槽的面积比率设定为0.6％。接着，将该靶与背衬板接合，然后在下述条件下实施溅射，对点燃的点火失败率((点燃失败次数/点燃实施次数)×100)进行考察。其结果是：与无加工槽的相同类型的靶相比，点火失败率从75％显著降低至33.7％。

(实施例4)

在直径为444mm、溅射面的直径为406mm的钽溅射靶(纯度4N5以上)中，仅在其外周锥形部，与靶的直径方向平行地且以等间隔的方式形成32处截面U字型的加工槽。将该靶的照片示于图5。将槽的宽度设定为3mm，将槽的深度设定为3mm，将槽的长度设定为平坦部0mm、锥形部12mm，将平坦部的加工槽的面积比率设定为0％，将锥形部的加工槽的面积比率设定为4.5％。接着，在下述条件下使用该靶实施溅射，对点燃的点火失败率((点燃失败次数/点燃实施次数)×100)进行考察。其结果是：与无加工槽的相同类型的靶相比，点火失败率从75％显著降低至7.4％。

(实施例5)

在直径为444mm、溅射面的直径为406mm的钽溅射靶(纯度4N5以上)中，在其整个外周锥形部，以相对于靶的直径方向成±45度的角度的方式以1mm的等间隔滚花加工出截面V字型的加工槽，从而形成格子状图案。将该靶的加工槽部分的照片示于图6。将槽的宽度设定为1mm，将槽的深度设定为0.1mm，将平坦部的加工槽的面积比率设定为0％，将锥形部的加工槽的面积比率设定为90％。接着，在下述条件下使用该靶实施溅射，对点燃的点火失败率((点燃失败次数/点燃实施次数)×100)进行考察。其结果是：与无加工槽的相同类型的靶相比，点火失败率从75％显著降低至3.2％。

(实施例6)

在直径为444mm、溅射面的直径为406mm的钽溅射靶(纯度4N5以上)中，在其外周锥形部，与靶的直径方向平行地且以等间隔的方式形成4处截面U字型的加工槽，将槽的宽度设定为3mm，将槽的深度设定为3mm，将槽的长度设定为平坦部0mm、锥形部12mm。并且，在外周部以同心圆状形成截面V字型的加工槽，将槽的宽度设定为6mm，将深度设定为3mm，将槽的长度设定为外周约1256mm、内周约1193mm。利用上述两种加工槽，使锥形部的加工槽的面积比率为0.6％、使平坦部的加工槽的面积比率为9.5％。接着，在下述条件下使用该靶实施溅射，对点燃的点火失败率((点燃失败次数/点燃实施次数)×100)进行考察。其结果是：与无加工槽的相同类型的靶相比，点火失败率从75％显著降低至25.3％。

(比较例1)

对于直径为444mm、溅射面直径为406mm的钽溅射靶(纯度4N5以上)，制作无加工槽的靶。使用该靶在与实施例1相同的条件下实施溅射，对点燃的点火失败率((点燃失败次数/点燃实施次数)×100)进行考察。其结果是点火失败率为75.0％。

(比较例2)

在直径为444mm的钽溅射靶(纯度3N5以上)中，在其外周部以同心圆状形成截面V字型的加工槽。将该靶的照片示于图7。将槽的宽度设定为6mm，将深度设定为3mm，将槽的长度设定为外周约1256mm、内周约1193mm，将平坦部的加工槽的面积比率设定为9.5％，将锥形部的加工槽的面积比率设定为0％。接着，在与实施例1相同的条件下使用该靶实施溅射，对点燃的点火失败率((点燃失败次数/点燃实施次数)×100)进行考察。其结果是：与无加工槽的相同类型的靶相比，点火失败率从75.0％变为70.9％，未观察到大幅降低。

(比较例3)

在直径为444mm的钽溅射靶(纯度3N5以上)中，在其外周部以同心圆状形成截面V字型的加工槽。槽的宽度设定为14mm，深度设定为3mm，槽的长度设定为外周约1237mm、内周约1150mm，平坦部的加工槽的面积比率设定为11.1％，锥形部的加工槽的面积比率设定为0％。接着，在与实施例1相同的条件下使用该靶实施溅射，结果观察到溅射时的电流值降低、溅射功率不稳定的现象，因此中止评价。

(比较例4)

在直径为444mm、溅射面的直径为406mm的钽溅射靶(纯度4N5以上)中，仅在其外周平坦部，与靶的直径方向平行地且以等间隔的方式形成4处截面U字型的加工槽。将槽的宽度设定为3mm，将槽的深度设定为3mm，将槽的长度设定为平坦部13mm、锥形部0mm，将平坦部的加工槽的面积比率设定为0.24％，将锥形部的加工槽的面积比率设定为0％。接着，将该靶与背衬板接合，然后在下述条件下实施溅射，对点燃的点火失败率((点燃失败次数/点燃实施次数)×100)进行考察。其结果是：与无加工槽的相同类型的靶相比，点火失败率从75％变为68.5％，未观察到大幅降低。

将上述结果汇总后示于表1中。

产业实用性

本发明的溅射靶即使在减少引入气体、缩短电压施加时间等条件下也能够降低点燃(等离子体点火)的点火失败率，能够稳定地开始溅射过程。由此，能够缩短装置的停机时间，因此，能够有助于提高生产能力、改善性价比。本发明的溅射靶对于形成电子器件用薄膜是有用的。

Claims

1.一种溅射靶，其具备平坦部和锥形部，其特征在于，在溅射靶的锥形部配置有加工槽。

2.如权利要求1所述的溅射靶，其特征在于，所述锥形部的加工槽的面积比率为0.6％以上。

3.如权利要求1～2中任一项所述的溅射靶，其特征在于，所述平坦部的加工槽的面积比率为10％以下。

4.如权利要求1～3中任一项所述的溅射靶，其特征在于，所述加工槽的深度为0.1mm以上。

5.如权利要求1～4中任一项所述的溅射靶，其特征在于，所述溅射靶包含纯度4N5以上的钽。