JP2010013678A - 銅スパッタリングターゲット材及びスパッタリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成膜条件（成膜中の圧力、成膜に用いるガス種等）を変更しなくても、成膜された銅膜中の引張残留応力を低減できる銅スパッタリングターゲット材及びスパッタリング方法提供する。
【解決手段】本発明に係る銅スパッタリングターゲット材１０は、一の結晶方位面と他の結晶方位面とを有し、銅材からなるスパッタ面１２を備え、一の結晶方位面は、加速された所定の不活性ガスイオンの照射により他の結晶方位面から弾き出されるスパッタ粒子のエネルギーより大きいエネルギーのスパッタ粒子を放出し、一の結晶方位面と他の結晶方位面との総和に対する一の結晶方位面の占有割合は、１５％以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、銅スパッタリングターゲット材及びスパッタリング方法に関する。特に、本発明は、成膜される銅膜中の引張応力を低減できる銅スパッタリングターゲット材及びスパッタリング方法に関する。

従来、液晶パネルを含む電子デバイス中の配線等の金属薄膜の形成に、所定の材料からなるスパッタリングターゲットを用いたスパッタリング法が用いられている。そして、従来のスパッタリングターゲットとして、面心立方構造の金属又は合金からなるスパッタリングターゲットにおいて、（（１１１）面＋（２００）面）／（２２０）面から算出される面配向度比が２．２０以上のスパッタリングターゲットが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載されたスパッタリングターゲットは、スパッタ面に（１１１）面及び（２００）面を優先的に配向させてスパッタ面における原子の密度を高めることにより、スパッタレートを向上させることができる。

特開２０００−２３９８３５号公報

しかし、特許文献１に係るスパッタリングターゲットは、スパッタ装置の真空チャンバ内等に堆積した材料膜の引張残留応力を低減させることができず、真空チャンバ内に堆積した材料膜の厚みが増加することにより剥離して、パーティクルの発生源となる場合がある。また、材料膜の引張応力の低減には、真空チャンバ内の圧力の低減や真空チャンバ内に導入するガス種の変更が有効であるものの、真空チャンバ内の圧力や真空チャンバ内に導入するガス種は、形成すべき材料膜の特性、品質等に応じて決定されるので、残留応力の低減を目的として真空チャンバ内の圧力や真空チャンバ内に導入するガス種を変更することは困難である。

したがって、本発明の目的は、成膜条件（成膜中の圧力、成膜に用いるガス種等）を変更しなくても、成膜された銅膜中の引張残留応力を低減できる銅スパッタリングターゲット材及びスパッタリング方法提供することにある。

（１）本発明は、上記目的を達成するため、一の結晶方位面と他の結晶方位面とを有し、銅材からなるスパッタ面を備え、一の結晶方位面は、加速された所定の不活性ガスイオンの照射により他の結晶方位面から弾き出されるスパッタ粒子のエネルギーより大きいエネルギーのスパッタ粒子を放出し、一の結晶方位面と他の結晶方位面との総和に対する一の結晶方位面の占有割合は、１５％以上である銅スパッタリングターゲット材が提供される。

（２）また、上記銅スパッタリングターゲットは、一の結晶方位面は、（１１１）面であり、他の結晶方位面は、（２００）面と、（２２０）面と、（３１１）面とを含んでいてもよく、占有割合は、２５％以上であってもよい。更に、銅材は、銅と不可避的不純物とからなる無酸素銅、又は銅合金であってもよく、無酸素銅又は銅合金は、酸素含有量が５ｐｐｍ以下であってもよい。

また、本発明は、上記目的を達成するため、上記（１）又は（２）のいずれかに記載の銅スパッタリングターゲット材を用いて、被対象物に銅膜を形成するスパッタリング方法が提供される。

本発明に係る銅スパッタリングターゲット材及びスパッタリング方法によれば、成膜条件（成膜中の圧力、成膜に用いるガス種等）を変更しなくても、成膜された銅膜中の引張残留応力を低減できる銅スパッタリングターゲット材及びスパッタリング方法提供することができる。

［実施の形態］
（銅スパッタリングターゲットの構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る銅スパッタリングターゲットの部分的な斜視図の一例を示す。

本実施の形態に係る銅スパッタリングターゲット１は、結晶構造が面心立方格子である所定の銅材からなり、加速された所定の不活性ガスイオンの照射により銅のスパッタ粒子が弾き出されるスパッタ面１２を有する銅スパッタリングターゲット材１０と、銅スパッタリングターゲット材１０が固定されたバッキングプレート１４とを備える。本実施の形態に係る銅スパッタリングターゲット材１０は、所定の厚さを有すると共に上面視にて略矩形に形成される。なお、本実施の形態の変形例においては、銅スパッタリングターゲット材１０及びバッキングプレート１４を、略円形に形成することもできる。

本実施の形態に係る銅スパッタリングターゲット材１０は、９９．９９％以上の純度を有する銅（Ｃｕ）と不可避的不純物とから構成される無酸素銅からなる銅材、又は銅合金から構成される銅材から形成される。銅合金としては、一例として、ＣｕＮｉを用いることができる。なお、銅合金は、例えば、Ａｌ、Ａｇ等の金属元素を含んで形成することもできる。更に、本実施の形態に係る銅スパッタリングターゲット材１０は、酸素含有量を５ｐｐｍ以下にして形成される。

銅スパッタリングターゲット材１０のスパッタ面１２は、複数の結晶方位面を有して形成される。すなわち、スパッタ面１２は、一の結晶方位面と他の結晶方位面とを少なくとも有する銅材から形成される。ここで、一の結晶方位面は、加速された所定の不活性ガスイオンの照射により弾き出されるスパッタ粒子のエネルギーが、他の結晶方位面から弾き出されるスパッタ粒子のエネルギーより大きい特性を有する。すなわち、一の結晶方位面から弾き出されるスパッタ粒子は、他の結晶方位面から弾き出されるスパッタ粒子を含むスパッタ粒子の中で、最大のエネルギーを有する。更に、スパッタ面１２は、一の結晶方位面と他の結晶方位面との総和に対する一の結晶方位面の占有割合が、所定の占有割合を有して形成される。

具体的に、スパッタ面１２は、一の結晶方位面としての（１１１）面と、他の結晶方位面としての（２００）面、及び（２２０）面、並びに（３１１）面とを有する。そして、スパッタ面１２の（１１１）面と、（２００）面と、（２２０）面と、（３１１）面との結晶方位面の総和を１００％と規定したときの（１１１）面の占める割合、すなわち、（１１１）面の占有割合が１５％以上、好ましくは２０％以上、更に好ましくは２５％以上となるスパッタ面１２を有して銅スパッタリングターゲット材１０は形成される。

ここで、（１１１）面の占有割合は、Ｘ線回折で測定した各結晶方位の回折ピークの相対強度比から以下の式（「数１」）を用いて算出できる。Ｘ線回折で得られる相対強度比は、回折面によって回折強度が異なるため、ＩＣＤＤ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｄａｔｅ）の標準データで測定値を除して補正した値を用いることで、正しい占有率を求めることができる。

なお、上記「数１」において、Ｋ_{ｓ（１１１）}は、被検材料、すなわち、銅スパッタリングターゲット材１０の（１１１）面の占有割合（％）であり、Ｉ_{ｓ（１１１）}、Ｉ_{ｓ（２００）}、Ｉ_{ｓ（２２０）}、及びＩ_{ｓ（３１１）}は、被検試料の各結晶方位におけるＸ線回折ピークの相対強度比であり、Ｉ_{ｄ（１１１）}、Ｉ_{ｄ（２００）}、Ｉ_{ｄ（２２０）}、及びＩ_{ｄ（３１１）}は、標準データの各結晶方位におけるＸ線回折ピークの相対強度比である。

スパッタリングによってスパッタリングターゲット材から弾き出されたスパッタ粒子のエネルギーが高いほど、このスパッタ粒子によって生成する膜は緻密となり、生成した膜の内部応力は引張応力から圧縮応力へと変化する。本発明者は、実験の結果、銅の場合、（１１１）面から弾き出されるスパッタ粒子のエネルギーが最も高いという知見を得た。

したがって、スパッタ面１２が有する（１１１）面、（２００）面、（２２０）面、及び（３１１）面に対する（１１１）面の占有割合を大きくして、高いエネルギーを有するスパッタ粒子をスパッタ中に増加させると、生成する銅膜の引張応力を低減することができると推察された。そこで、引張応力を低減できる（１１１）面の占有割合を検討したところ、（１１１）面の占有割合が１５％以上、好ましくは２５％以上であると、成膜する銅膜の内部応力の低減効果が得られるという知見が得られた。この結果により、上述したように、（１１１）面の占有割合が１５％以上となるスパッタ面１２を有して銅スパッタリングターゲット材１０は形成される。また、成膜する銅膜の内部応力のさらなる低減を目的として、２５％以上となるスパッタ面１２を有して銅スパッタリングターゲット材１０を形成することもできる。

（スパッタリング方法）
図２は、本発明の実施の形態に係るスパッタリング方法が適用されるスパッタ装置の概要を示す。

スパッタ装置２は、真空チャンバ２６と、真空チャンバ２６内の所定の位置に設けられ、金属膜としての銅膜５を形成すべき被対象物６を保持する保持部２８ａと、真空チャンバ２６内の所定の位置に設けられ、銅スパッタリングターゲット１を保持する保持部２８ｂと、不活性ガスとしてのアルゴンガス（Ａｒガス）を導入するガス導入系２２と、真空チャンバ２６内のガスを排気する排気系２４と、銅スパッタリングターゲット１と被対象物６との間に所定の電圧を印加する電源（図示しない）とを備える。

被対象物６は、一例として、液晶パネルの画素の駆動に用いられる薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＴＦＴ）が形成されているガラス基板である。本実施の形態に係るスパッタリング方法により、ＴＦＴのゲート線、ソース線、及びドレイン線の３種類の薄膜金属線としての薄膜銅線を形成できる。なお、薄膜金属線を銅から形成することにより、例えば、アルミニウムから形成された薄膜金属線と比べて、薄膜金属線の電気抵抗を低下できる。

スパッタリング方法は、以下のようにして実施する。まず、真空チャンバ２６内に、銅スパッタリングターゲット１及び被対象物６を設定する。そして、真空チャンバ２６内を所定の圧力の真空に設定して、ガス導入系２２から真空チャンバ２６内に不活性ガスとしてのＡｒガスを導入する。次に、真空チャンバ２６内に導入したＡｒガスに所定の電圧を印加して、導入したＡｒガスをプラズマ化することにより、不活性ガスイオンとしてのＡｒ^＋イオン３を生成する。そして、Ａｒ^＋イオン３を電界で加速して、銅スパッタリングターゲット材１０に照射する。これにより、銅スパッタリングターゲット材１０を構成する銅が、スパッタ粒子４として弾き出される。

銅スパッタリングターゲット材１０から弾き出されたスパッタ粒子４は、被対象物６上に堆積して、銅膜５が被対象物６上に形成される。また、銅スパッタリングターゲット材１０から弾き出されたスパッタ粒子４の一部（例えば、スパッタ面１２から弾き出されたスパッタ粒子４の半分程度）は、チャンバ内壁２６ａ等の被対象物６以外にも堆積して付着膜が形成される。

（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る銅スパッタリングターゲット材１０は、スパッタ面１２の（１１１）面と、（２００）面と、（２２０）面と、（３１１）面との結晶方位面の総和を１００％と規定したときの（１１１）面の占める割合、すなわち、（１１１）面の占有割合が１５％以上、好ましくは２５％以上となるスパッタ面１２を有して形成されるので、スパッタ面１２から弾き出されたスパッタ粒子４のエネルギーは、形成される銅膜５の内部応力が、圧縮応力の方が支配的になるほど高い。したがって、本実施の形態に係る銅スパッタリングターゲット材１０をスパッタリングに用いることにより、形成されるスパッタ膜の引張残留応力を低減させることができる。

また、本実施の形態に係る銅スパッタリングターゲット材１０を用いることにより、スパッタ装置２の真空チャンバ２６内、すなわち、チャンバ内壁２６ａ等に付着する付着膜の引張残留応力も低減されるので、付着膜の厚みが増加したときに発生する付着膜の剥離を抑制することができる。これにより、スパッタ中のプロセス圧力、プロセスガスの条件を変更することなしに、付着膜の引張残留応力を低減させることができると共に、スパッタリング中に発生するパーティクルを低減させることができ、例えば、ＴＦＴの歩留り及び生産性を大幅に向上させることができる。

また、本発明の実施の形態に係る銅スパッタリングターゲット材１０は、酸素含有量が５ｐｐｍ以下で形成されるので、例えば、液晶パネルのＴＦＴ配線の製造工程で還元雰囲気ガスとしての水素ガスを含んだプロセスガスを用いた場合であっても、プロセスガス中の水素ガスと銅膜中の酸素とが反応してＨ_２Ｏが生成することによって銅膜内に生じるブローホールを抑制できる。

（実施例１）
（実施例１に係る銅スパッタリングターゲット材１０の製造）
まず、純度が９９．９９％であり、かつ、酸素含有量が２ｐｐｍの原材料としての無酸素銅を、連続鋳造法により製作した。連続鋳造法により製作した無酸素銅は、厚さが２００ｍｍであり、幅が５００ｍｍの鋳塊の形態であった。次に、所定の雰囲気下において、この鋳塊を８００℃に加熱して、５０ｍｍ以下の所定の厚さまで熱間圧延した。

続いて、熱間圧延して得られた材料に、冷間加工及び熱処理を所定回数、繰り返し施すことにより、厚さ１８ｍｍの材料を製作した。ここで、冷間加工における冷間加工度を所定の冷間加工度に調節すると共に、熱処理における熱処理温度を所定の熱処理温度に調節することにより、「数１」により算出した圧延面における銅の結晶の（１１１）面の占有割合が１５％以上となるようにした。

次に、（１１１）面の占有割合を１５％以上とした材料の両面を機械加工により１ｍｍずつ切削除去することにより、厚さが１６ｍｍの実施例１に係る銅スパッタリングターゲット材１０を製作した。この銅スパッタリングターゲット材１０をＸ線回折装置により分析したところ、（１１１）面の占有割合は２５．７％であった。なお、実施例１では９９．９９％の無酸素銅を用いたが、（１１１）面の占有割合が１５％以上であれば、銅合金からスパッタリングターゲットを製造することもできる。

（実施例２）
実施例１と同様にして、実施例２に係る銅スパッタリングターゲット材１０を製作した。実施例２に係る銅スパッタリングターゲット材をＸ線回折装置により分析したところ、（１１１）面の占有割合は１５％であった。

（実施例３）
実施例１と同様にして、実施例３に係る銅スパッタリングターゲット材１０を製作した。実施例３に係る銅スパッタリングターゲット材をＸ線回折装置により分析したところ、（１１１）面の占有割合は２０％であった。

（比較例）
比較例として、冷間加工度と熱処理温度とを調節して、（１１１）面の占有割合が１５％以下を示す銅スパッタリングターゲット材を３パターン製作した。比較例に係る銅スパッタリングターゲット材をＸ線回折装置によって測定したところ、比較例に係る銅スパッタリングターゲットの（１１１）面の占有割合は、１４．６％（比較例１）、７．６％（比較例２）、及び４．６％（比較例３）であった。更に、酸素含有量が１０ｐｐｍの鋳塊を原材料として用いた点を除き、本発明の実施例と同様の工程で銅スパッタリングターゲットを製作した（比較例４）。

（銅スパッタリングターゲット材の評価）
（評価方法１：残留応力の測定）
実施例１及び２、並びに比較例１から４のそれぞれに係る銅スパッタリングターゲット材を用いてスパッタリングにより形成した銅箔膜中の残存応力を測定した。具体的に、まず、評価用として、実施例１及び２、並びに比較例１から４に係る銅スパッタリングターゲット材のそれぞれから、厚みが５ｍｍであり、外形がφ１００ｍｍの円板を切り出した。次に、バッチ式ＲＦ電源スパッタ装置に切り出した円板を銅スパッタリングターゲットとして設置すると共に、５０ｍｍ角であり、厚みが０．７ｍｍの無アルカリガラス基板を被対象物６として設置した。

そして、実施例１及び２、並びに比較例１から４に係る銅スパッタリングターゲットから切り出した円板のそれぞれを用いて、無アルカリガラス基板上に５００ｎｍの銅膜を、所定雰囲気下、所定圧の条件下においてそれぞれ成膜した。続いて、Ｘ線回折装置を用いて、並傾法を利用することにより、成膜した銅膜の残留応力をそれぞれ測定した。

（評価方法２：剥離性の有無の調査）
スパッタ装置の真空チャンバ内に堆積した銅膜の剥離防止性を評価した。具体的に、まず、評価用として、実施例１及び２、並びに比較例１から４に係る銅スパッタリングターゲット材のそれぞれから、厚みが５ｍｍであり、外形がφ１００ｍｍの円板を切り出した。次に、上記評価方法１と同様にして、バッチ式ＲＦ電源スパッタ装置を用いて、５０ｍｍ角であり、厚さが１ｍｍのＳＵＳ３０４基板に、厚さが０．１ｍｍの銅膜を成膜して、銅膜の剥離の有無を調査した。

（評価方法３：銅膜中の酸素の影響の評価）
スパッタリングにより成膜した銅膜中の酸素の影響を評価した。具体的に、まず、評価用として、実施例１及び２、並びに比較例１から４に係る銅スパッタリングターゲット材のそれぞれから、厚みが５ｍｍであり、外形がφ１００ｍｍの円板を切り出した。次に、上記評価方法１と同様にして、バッチ式ＲＦ電源スパッタ装置を用いて、５０ｍｍ角であり、厚さが０．７ｍｍの無アルカリガラス基板上に、厚さが５００ｎｍの銅膜を成膜した。次に、銅膜をＨ_２雰囲気中、３００℃で３０ｍｉｎ加熱した後、室温まで冷却した。続いて、得られた銅膜を走査型電子顕微鏡で観察することにより、ブローホールの有無を調査した。

表１に、評価方法１から３の結果をまとめて示す。

表１の評価方法１の欄を参照すると、本発明の実施例１及び２に係る銅スパッタリングターゲット材から形成した銅膜は、引張残留応力が１２０Ｎ／ｍｍ^２以下であることが示され、実施例１に係る銅スパッタリングターゲット材から形成した銅膜では、引張残留応力が最も低いことが示された。また、表１の評価方法２の欄を参照すると分かるように、実施例１及び２に係る銅スパッタリングターゲット材から形成した銅膜は、ＳＵＳ３０４基板からの剥離も発生しなかった。更に、表１の評価方法３の欄を参照すると分かるように、銅膜中にブローホールは存在しなかった。

一方、比較例１から３に係る銅スパッタリングターゲット材から形成した銅膜は、表１の評価方法１の欄を参照すると分かるように、引張残留応力が大きいと共に、評価方法２の欄に示したように、ＳＵＳ３０４基板からの銅膜の剥離も観察された。また、比較例４に係る銅スパッタリングターゲット材から形成した銅膜は、評価方法１の欄を参照すると分かるように引張残留応力が低く、評価方法２の欄を参照すると分かるようにＳＵＳ３０４基板からの銅膜の剥離は観察されなかった。しかしながら、評価方法３の欄を参照すると分かるように、酸素含有量が高いことに起因して、ブローホールが発生していることが観察された。

以上により、（１１１）面の占有割合が１５％以上、望ましくは２５％以上であると共に、酸素含有量が５ｐｐｍ以下の銅スパッタリングターゲット材を銅スパッタリングターゲットとして用いることにより、スパッタにより成膜された銅膜内の引張残留応力を低減することができることが示された。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

実施の形態に係る銅スパッタリングターゲットの部分的な斜視図である。 実施の形態に係るスパッタリング方法が適用されるスパッタ装置の概要図である。

符号の説明

１ 銅スパッタリングターゲット
２ スパッタ装置
３ Ａｒ^＋イオン
４ スパッタ粒子
５ 銅膜
６ 被対象物
１０ 銅スパッタリングターゲット材
１２ スパッタ面
１４ バッキングプレート
２２ ガス導入系
２４ 排気系
２６ 真空チャンバ
２６ａ チャンバ内壁
２８ａ、２８ｂ 保持部

Claims (6)

1. 一の結晶方位面と他の結晶方位面とを有し、銅材からなるスパッタ面
   を備え、
   前記一の結晶方位面は、加速された所定の不活性ガスイオンの照射により前記他の結晶方位面から弾き出されるスパッタ粒子のエネルギーより大きいエネルギーのスパッタ粒子を放出し、
   前記一の結晶方位面と前記他の結晶方位面との総和に対する前記一の結晶方位面の占有割合は、１５％以上である銅スパッタリングターゲット材。
2. 前記一の結晶方位面は、（１１１）面であり、
   前記他の結晶方位面は、（２００）面と、（２２０）面と、（３１１）面とを含む請求項１に記載の銅スパッタリングターゲット材。
3. 前記占有割合は、２５％以上である請求項１又は２に記載の銅スパッタリングターゲット材。
4. 前記銅材は、銅と不可避的不純物とからなる無酸素銅、又は銅合金である請求項１から３のいずれか１項に記載の銅スパッタリングターゲット材。
5. 前記無酸素銅又は前記銅合金は、酸素含有量が５ｐｐｍ以下である請求項４に記載の銅スパッタリングターゲット材。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の銅スパッタリングターゲット材を用いて、被対象物に銅膜を形成するスパッタリング方法。

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