DE69808664T2

DE69808664T2 - Feuerfeste metall-silizid-legierung sputter-targets, dessen verwendung und herstellung

Info

Publication number: DE69808664T2
Application number: DE69808664T
Authority: DE
Inventors: Y. Ivanov
Original assignee: Tosoh SMD Inc
Current assignee: Tosoh SMD Inc
Priority date: 1997-07-15
Filing date: 1998-07-10
Publication date: 2003-07-24
Anticipated expiration: 2018-07-11
Also published as: WO1999003623A1; EP1028824A4; EP1028824A1; US6562207B1; EP1028824B1; DE69808664D1

Description

Kupfer erfreut such zunehmender Beachtung als ein Verbundmaterial als Ersatz für Al und Al Legierungen in Integrierten Schaltungen (IC) im Submikron Bereich. Die bedeutendsten motivierenden Faktoren dafür sind der geringe spezifische Widerstand von Kupfer, die hervorragende Elektromigration und Widerstandfähigkeit gegen Spannungsmigration im Vergleich zu Al und seinen Legierungen. Jedoch ist die Verwendung einer Cu Metallisierung nicht ohne Probleme. Zum Beispiel leidet Cu unter zuwenig anisotropischer Ätzfähigkeit, Oxidations- und Korrosionsproblemen und schlechter Adhäsion auf vielen dielektrischen Schichten. Ein besonders schwieriges Problem ist die Diffusion von Cu sowohl in die Si und SiO&sub2; Schichten.
Auf der Suche nach geeigneten Diffusionssperrschichten für Cu Metallisierungen, wurden Ti-Si-N, W-Si-N und Ta-Si-N Schichten untersucht. Unter diesen Materialien erscheinen auf Tantal basierende Schichten im Moment vielversprechend zu sein, da sie eine relativ hohe Schmelztemperatur aufweisen und außerdem in Verbindung mit Cu thermodynamisch relativ stabil sind. Daher besteht ein bedeutendes Interesse in der Verwendung von Ta-Si-N als amorphe Sperrschicht für die Cu Metallisierung in Halbleitern.
Legierungen aus Tantal und Silizium und Intermetallische Verbindungen werden in PVD Prozessen (Vakuum-Beschichtungsprozessen) verwendet, um die gewünschten Ta/Si Schichten zu liefern. Typischerweise werden Ta/Si Targets in einer reaktiven (z. B. N&sub2;) Atmosphäre gesputtert, damit sich eine gewünschte Ta-Si-N Beschichtung ausbildet. Tantalsilizid Legierungen werden normalerweise durch Mischen von Ta und Si, gewöhnlich in Form von Pulver, bereitet, wobei die Mischung bei hoher Temperatur unter Vakuumbedingungen zur Reaktion gebracht wird, wobei das Tantal-Silizium Pulver zerkleinert, gemahlen und gesiebt wird. Diese Verfahren können verwendet werden, um bekannte, spröde intermetallische Verbindungen wie TaSi&sub2; oder Mischungen solcher intermetallischen Verbindungen wie TaSi&sub2; oder Mischungen aus diesen intermetallischen Verbindungen mit Si herzustellen. Tantalsilizide mit der empirische Formel TaSiy, wobei y > 1, die durch diese Verfahren hergestellt werden sind sehr harte Legierungen, die nicht effizient zu einem Pulver gemahlen werden können, wobei es schwer ist, hochdichte Targets aus diesen Materialien herzustellen.
Ferner ist es schwer, die volle Dichte mit Targets aus Ta&sub5;Si&sub3; and TaSi&sub2; zu erreichen, aufgrund der hohen Schmelzpunkte dieser kristallinen Verbindungen (z. B. von 2560ºC bzw. 2040ºC)
Für die meisten PVD Anwendungen werden eine feine Mikrostruktur (oder eine kleine Partikelgröße des Targetmaterials) und Targets mit voller Dichte benötigt. Wie es oben dargestellt wurde, sind Ta/Si Legierungen mit einem sehr geringen Gehalt (0-10 Gew.-%) an Si schwer herzustellen. Doch es ist erstrebenswert, Targets aus diesen Legierungen herstellen zu können, um eine Bildung von Silizid während des Sputterns zu verhindern, so dass amorphe Ta/Si/N Schichten mittels Sputterbeschichtung aufgebracht werden können, um die notwendigen Sperrschichten gegen Diffusion in Cu und anderen metallisierten Halbleiterschaltkreisen zu erzielen.
Die US-A-5 418 071 offenbart ein Verfahren zum heißen isostatischen Pressen einer Pulvermischung, die ein hochreines Siliziumpulver enthält, in welcher aber das molare Verhältnis des Siliziums relativ hoch ist.
Folglich ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung hochdichte TaSi Sputtertargets herzustellen, bei denen Si in einer sehr geringen Menge (von weniger oder gleich etwa 10 Gew.-%) vorhanden ist.
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Sputtertargets umfassend die Schritte:
a) Auswählen eines Pulvers eines Metalls Me aus den Gruppen IVb, Vb oder VIb des Periodensystems der Elemente;
b) Auswählen eines Si Pulvers und Mischen desselben mit besagtem Me Pulver, so dass besagtes Me Pulver und besagtes Si Pulver ein molares Verhältnis von 0.1 bis zu 0.99 : 1 aufweisen;
c) Beaufschlagen der Mischung aus Me Pulver und Si Pulver mit heißen, isostatischen Druckbedingungen zum Verdichten oder Mischung auf mehr als 98% ihrer theoretischen Dichte, wobei besagte verdichtete Mischung frei von intermetallischen Verbindungen ist; und
d) Formen besagter verdichteter Mischung zu einer gewünschten Targetform.
Durch die Erfindung, können Me/Si Targets (Mc = hitzebeständiges Metall wie Ta, W, und/oder Mo und deren Kombinationen) mit geringen Si Gehalt bereitgestellt werden. Vorzugsweise ist die Si Komponente in einer Menge von weniger als 10 Gew.-% enthalten.
Das Verfahren gemäß der Erfindung verwendet hochreines Me und Si (z. B. Ta und Si) in Pulverform in der gewünschten Zusammensetzung. Das Si kann als ein elementares Pulver enthalten sein oder in Form eines metallischen Silizids.
Vorzugsweise umfasst dieses Verfahren das Mischen von Me und Si (z. B. Ta und Si), das Einbringen von diesen in einen HIP (Heißes Isostatisches Pressen) Behälter, evakuieren des HIP Behälters, und Beaufschlagen des Pulvers mit HIP Bedingungen. Vorzugsweise enthält diese Mischung jede gewünschte Menge an Me und Si (z. B. Ta und Silizium) und wird einem HLP Verfahren unterzogen, um einen festen Rohling aus einer Me-Si (Ta-Si) Legierung zu bilden.
Die bevorzugten, nach diesem Verfahren erzeugten Sputtertargets sind diese, die aus TaSix bestehen, wobei X gleich 0.1 bis 0.99, vorzugsweise 0.1 bis 0.6 ist, wobei mit vorliegenden Daten 0.3 bis 0.6 als am meisten bevorzugt angenommen wird. Targets, die bestimmten Untersuchungen unterzogen wurden und sich als vorteilhaft herausstellten sind TaSi0,1, TaSi0,4 und TaSi0,6.
Vorzugsweise werden die Targets aus Pulver von 63 und 177 um (-80 bis -240 mesh), und am meisten bevorzugt 74 bis 149 um (-100 bis -200 mesh) hergestellt. In einigen Fällen wird es notwendig sein, das Pulver in einer Kugelmühle zu mahlen. Die Partikel werden zusammengemischt und dann dem HIP unterzogen, um so vorzugsweise mehr als etwa 98% der theoretischen Dichte zu erzielen, sehr bevorzugt mehr als etwa 99% der theoretischen Dichte und am meisten bevorzugt etwa 99.5% der theoretischen Dichte. Die HIP Behandlung wird allgemein bei 138 bis 276 Mpa (20,000 bis 40,000 psi) und bei Temperaturen von 1100ºC bis 1350ºC für 1 bis 4 Stunden durchgeführt.
Nach dem HIP Prozess, können die Targets durch Lichtbearbeitung oder dergleichen in die endgültig benötigte Targetform gebracht werden wie rechteckige, flache Platten, kreisförmige Targets, konische Targets etc. Die Targets zeigten vielversprechende Ansätze in reaktiven Sputtersystemen und -anwendungen bei denen N&sub2; das reaktive Gas ist.
Zusätzlich zu Ta/Si Targets, kann Ta durch andere Übergangsmetalle ersetzt werden. Eine Auflistung solcher anderen Metalle umfasst W, Mo und Ti.
Demgemäss können mittels den erfindungsgemäßen Verfahren die folgenden Targets hergestellt werden
MeSix
wobei Me ein Übergangsmetall aus der Gruppe IVb, Vb oder VIb des Periodensystems der Elemente (CAS Version) ist, sehr bevorzugt Ta, W, Mo, Ti und am meisten bevorzugt Ta ist. Das x in der obigen Formel kann zwischen 0.1 und 0.99 betragen, sehr bevorzugt zwischen 0.1 und 0.6 und am meisten bevorzugt zwischen 0.3 und 0.6. Ta&sub5;Si&sub3; Targets und deren Verwendung zum Sputtern von verbesserten Diffusionssperrschichten sind in E. Kolawa et al. in "Tantalum-based Diffusion Barriers in Si/Cu VLSI Metallizations", J. Applied Physics, Vol. 70, Seiten 1369-1373, 03. August 1991 beschrieben. Jedoch wird davon ausgegangen, dass diese Verbindung eine intermetallische Verbindung von Ta&sub5;Si&sub3; enthält. Dagegen sind.

Targets gemäß der Erfindung mehrphasig.

Die Targets der Erfindung werden in herkömmlichen Apparaturen zur Sputterbeschichtung verwendet, vorzugsweise mit N&sub2; als reaktivem Gas, womit das gewünschte Substrat mit einer Schicht aus amorphem ME-Si-N sputterbeschichtet wird.

Beispiele

Beispiel 1 - TaSi0,1

Ta Pulver von 149 um (-100 mesh) und Si Pulver von 149 um (-100 mesh) werden zu einer Zusammensetzung Ta-1.53 Gew.-% Si vermischt, in einen HIP Behälter gegeben, der innenseitig mit einer Tonerde Plasmabeschichtung und BN geschützt ist, vakuumiert und mit HIP bei 207 Mpa (30,000 psi) und 1200ºC für 3 Stunden beaufschlagt. Die Dichte dieses Materials betrug 93.5%.

Beispiel 2- TaSi0,6

Ta Pulver von 149 um (-100 mesh) und TaSi&sub2; Pulver von 74 um (-200 mesh) werden zu einer Zusammensetzung Ta-8.52 Gew.-% Si vermischt, in einen HIP Behälter gegeben, der innenseitig mit einer Tonerde Plasmabeschichtung und BN geschützt ist, vakuumiert und mit HIP bei 207 Mpa (30.,000 psi) und 1200ºC für 3 Stunden beaufschlagt. Die Dichte dieses Materials betrug 99.5%.

Beispiel 3-5

In dieser Studie, wurden TaSi0,1, TaSi0,4 und TaSi0,6 Targets hergestellt und für reaktives Sputtern bei verschiedenen N&sub2;/Ar Verhältnissen verwendet.
Die Tantalsilizid TaSi0,x Muster wurden nach zwei Verfahren gefertigt. Das TaSi0,x wurde zuerst durch Mischen von Ta Pulver 149 von 149 um (-100 mesh, 3N5) und Siliziumpulver von 74 um (-200 mesh 5 N erzeugt, wobei die Mischung dann einem heißen isostatischen Pressvorgang (HIP)bei 1179ºC-1310ºC bei 107-214 Mpa für 10.8-14.4 ksec unterzogen wurde. Das zweite Verfahren umfasste ein Mischen von Ta Pulver mit TaSi&sub2; Pulver, wobei die Mischung dann, wie oben abgegeben, einem HIP unterzogen wurde. Die dritte Prozedur verwendete einen HIP Prozess bei einer intermetallischen Verbindung aus pulverisiertem Ta&sub5;Si&sub3; von 149 um (-100 mesh, 3N7). Targets von 76 mm (3") und 305 mm (12") Durchmesser wurden für die Sputterexperimente verwendet. Amorphe Schichten aus Ta-Si-N von etwa 500 nm Dicke wurden auf (100) Si Substraten abgeschieden durch Verwendung von DC Magnetron Sputtern bei verschiedenen N&sub2;/Ar Gas Verhältnissen. Während der Abscheidung wurde der Arbeitsdruck bei 10 mTorr gehalten.
Die Reaktion zwischen dem Ta Metall und Si oder Ta und TaSi&sub2;, die in dem HIP Behälter auftritt, ergibt sich in der Bildung einer Anzahl von Phasen. Eine XRD Studie der Phasenzusammensetzung von TaSi0,4 und TaSi0,6 Mustern zeigten die Anwesenheit einer festen Lösung aus Ta (Si) mit steigendem Raumgitter-Parameter des Ta (von 0.3306 nm bis 0.3320 nm) und intermetallischen Verbindungen Ta&sub5;Si&sub3;, TaSi&sub2; und möglicherweise eine weniger identifizierte Phase von TaSi0,6. Beide dieser Verfahren ergeben eine ähnliche vielphasige Verbindung; jedoch die Ta-TaSi&sub2; Mischung resultierte in einer besseren Dichte nach dem HIP Prozess.
Bei höheren N&sub2; Konzentrationen während des reaktiven Sputterns begannen die dünnen Schichten Verbindungen aus Tantalnitrid zu bilden. Alle während des reaktiven Sputtern von TaSi0,4 und TaSi0,6 Targets erhaltenen dünnen Schichten waren amorph. Spezifische Zusammensetzungen der Schichten sind in der folgenden Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1. Zusammensetzung der Schichten abgeschieden durch reaktives Sputtern von TaSix Targets.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Menge des N&sub2; im Sputtergas dazu verwendet werden kann, um den spezifischen Widerstand der amorphen Ta-Si-N Schichten auf die gewünschten Werte zu ändern. Mit steigender Menge von N&sub2; im Sputtergas wird der spezifische Widerstand der Schicht vergrößert. Ferner zeigen die vorläufigen Ergebnisse, dass eine unerwünschte partikuläre-Emission mit steigender Dichte minimiert wird und eine feinerer Mikrostruktur des Targetmaterials. Basierend auf augenblicklich verfügbaren Daten ist die optimale Konzentration für Ta/Si Targets TaSix, wobei x 0.3 bis 0.6 ist.
Zusätzlich zur Verwendung von Targets und Verfahren gemäß der Erfindung zur Bildung von amorphen Sperrschichten in der Halbleiterherstellung, können Targets gemäß der Erfindung zur Bildung von Ta Schichten auf Röntgenmasken und dergleichen verwendet werden, zum Beispiel in Verbindung mit der Submikron Röntgenlithographie.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Sputtertargets umfassend die Schritte:

e) Auswählen eines Pulvers eines Metalls Me aus den Gruppen IVb, Vb oder VIb des Periodensystems der Elemente;

f) Auswählen eines Si Pulvers und Mischen desselben mit besagtem Me Pulver, so dass besagtes Me Pulver und besagtes Si Pulver ein molares Verhältnis von 0.1 bis zu 0.99 : 1 aufweisen;

g) Beaufschlagen der Mischung aus Me Pulver und Si Pulver mit heißen, isostatischen Druckbedingungen zum Verdichten der Mischung auf mehr als 98% ihrer theoretischen Dichte, wobei besagte verdichtete Mischung frei von intermetallischen Verbindungen ist; und

h) Formen besagter verdichteter Mischung zu einer gewünschten Targetform.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, bei dem besagte Me und Si Pulver beide -80 mesh bis -240 mesh (63-177 um), vorzugsweise -100 bis -200 mesh (74-149 um) aufweisen.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Mischung auf mehr als 99%, vorzugsweise mehr als etwa 99.5%, ihrer theoretischen Dichte verdichtet wurde.

4. Ein Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Me Pulver und das Si Pulver ein molares Verhältnis Me : Si von 0.1 : 1 bis 0.6 : 1, vorzugsweise 0.3 : 1 bis 0,6 : 1 haben.

5. Ein Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die heißen isostatischen Druckbedingungen eine Temperatur von 1100º-1350ºC und einen Druck von 138 bis 276 MPa (20,000-40,000 psi) umfassen.

6. Ein Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Me gewählt wird aus Ta, Ti, Mo und W.

7. Ein Verfahren nach Anspruch 6, bei dem Ta Pulver zur Herstellung eines Sputtertargets benutzt wird, welches die Formel TASix hat, wobei X gleich 0.1 bis 0.99 ist.

8. Ein Verfahren nach Anspruch 7, bei dem besagte Mischung die Formel TaSi0,4 hat.

9. Ein Verfahren nach Anspruch 7, bei dem besagte Mischung die Formel TaSi0,6 hat.

10. Ein Verfahren nach Anspruch 7, bei dem besagte Mischung die Formel TaSi0,1 hat.

11. Ein Sputtertarget, welches eine verdichtete, mehrphasige Mischung von MeSix umfasst, wobei X = 0.1 bis 0.99, und wobei Me ein Metall aus den Gruppen IVb, Vb oder VIb des Periodensystems der Elemente ist, wobei besagte Mischung frei von intermetallischen Verbindungen ist und eine Dichte von 98% oder mehr ihrer theoretischen Dichte hat.

12. Ein Sputtertarget nach Anspruch 11, bei dem Me gewählt ist aus Ta, Ti, Mo und W.

13. Ein Sputtertarget nach Anspruch 12, bei dem Mc Ta ist, und X = 0.1 bis 0.6, vorzugsweise 0.3 bis 0.6.

14. Ein Sputtertarget nach Anspruch 13, bei dem X ungefähr 0.4 ist.

15. Ein Sputtertarget nach Anspruch 13, bei dem X ungefähr 0.6 ist.

16. Ein Verfahren zum Bilden einer amorphen Me/Si/N -Schicht auf einem gewünschten Substrat, wobei Me ein Metall aus den Gruppen IVb, Vb oder VIb des Periodensystems der Elemente ist, wobei besagtes Verfahren umfasst:

a) Bereitstellen eines Sputtertargets gemäß irgendeinem der Ansprüche 11 bis 15;

b) Bereitstellen eines Substrats;

c) Beaufschlagen besagten Substrats und besagten Targets mit Sputterbedingungen und Sputterbeschichten des besagten Substrates mit Material des besagten Targets in Anwesenheit von N&sub2; als ein reaktives Gas zur Schaffung einer dünnen Schicht aus Me/Si/N auf diesem.

17. Ein Verfahren nach Anspruch 16, bei dem besagtes Substrat einen kupfermetallisierten Halbleiterchip umfasst.

18. Ein Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das Substrat eine Röntgenmaske umfasst.