JP2018040060A - 特別な表面処理及び優れた粒子性能を有するシリコンスパッターターゲットの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコンスパッターターゲットのほぼ無欠陥／無損傷表面を達成する為の表面処理の提供。
【解決手段】シリコンブランクを準備するステップ、及び、シリコンスパッターターゲット上に鏡面表面を備えるように、該シリコンブランクから擦り傷を除去するステップ、第１及び第２の洗浄ステップ、該第１の洗浄ステップが該擦り傷除去ステップの前に実施され、該第２の洗浄ステップが該擦り傷除去ステップの後に実施され、第１又は第２の洗浄ステップのいずれかが、ポリマーを有する液体洗浄溶液を該シリコンブランク表面に接触させることを含む方法。前記ポリマーがポリアクリル酸、ポリアクリルアミド又はヒドロキシエチル・セルロースから選択される、方法。
【選択図】図２

Description

この出願は、２０１１年１１月８日提出の米国仮特許出願番号６１／５５６，９２６の優先権利益を主張している。

本出願は、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｗ若しくはＣｕから成るバッキングプレート、これらの元素の合金から成るバッキングプレート又はＭｏ／Ｃｕ複合材料若しくはＴｉ／Ａｌ複合材料から成るバッキングプレートに接合されるシリコンスパッターターゲットに関し、そして、そのようなシリコンスパッターターゲットの製造方法に関する。本発明の１つの特徴は、特別な表面処理を施したシリコンスパッターターゲット／バッキングプレート・アセンブリに関する。

シリコン(Si)は、質量による宇宙内の最も一般的な元素の１つであり、そして、シリコンは、砂、塵、二酸化ケイ素（シリカ）又は、ケイ酸塩等の化合物の形で最も多く存在している。純結晶シリコンは灰色であり、本来は壊れやすい。シリコンは原子番号１４、原子量２８．０９、そして密度２．３３ｇ／ｃｍ^３を有する。シリコンは、常温ではダイアモンド立方結晶構造を有し、融点は１３１０℃であり、沸点は２３５７℃である。さらに、シリコンは、温度２５．０℃で２．４９μｍ／ｍ−℃の線形熱膨張率(coefficient of thermal expansion) (CTE)を有する。

シリコンは、半導体であり、現代の世界経済において重要な役割を担っている。事実、全ての現代の半導体マイクロエレクトロニクス産業はシリコンを基盤として構築されている。シリコンは、集積回路、チップ、ロジック電子デバイス(logic electronics device)、及びメモリー電子デバイス(memory electronics device)に広く使用されている。シリコン及びその化合物は、半導体チップがその上に構築される基板を形成する為に使用されているだけでなく、集積回路(IC)及びチップ内の、シリコン電極、二酸化ケイ素誘電体層、及び窒化ケイ素マスク層のような、トランジスタ及び積層構造(stacking structure)の為の機能ユニット又は層としても使用されている。

近年、高誘電率(high-k)メタルゲート(HKMG)トランジスタ技術が開発され、画像処理、コンピュータ・ネットワーク構築、及び無線モバイルアプリケーションのような、多種多様の高性能及び低電力利用のＩＣデバイスを製造する為に、４５ｎｍ以下の領域の技術に使用されている。高誘電率(high-k)メタルゲート(HKMG)の主要課題の１つは、適切な新しい金属材料及び信頼性のある膜形成方法を見つけ出し、それにより、大電流を有し、漏れ電流の少ない通信路を制御し、そして複雑な構造の保全性を保持することである。Ｈｆ、ＴｉＡｌ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴａＡｌＮ、ＴａＳｉＮ、及びレアアース金属がメタルゲート材料として使用されていると報告されている。近年、シリコン上に構築される半導体技術に対する自然な接続及びその独特な化学的及び物理的性質のため、メタルゲート構造材料としてシリコンを利用することが非常に注目されている。

ＩＣ及びチップ内の基板上のシリコン及び窒化ケイ素層は、伝統的に、化学的気相成長(chemical vapor deposition)(CVD)法によって形成されている。マイクロエレクトロニクス産業は、４５ｎｍ以下の領域の技術を利用してナノメートル寸法に向ってデバイス及び回路の小型化を進めており、膜／構造形成方法の精密度及び最小インパクトのデバイスの保全性にかつてないほど多くの差し迫った要求が寄せられている。スパッタリングは、物理的気相成長(physical vapor deposition)(PVD)法による高エネルギーイオンの衝突の結果として、材料（ターゲット）の表面から原子がはじき出されるメカニズムであり、高エネルギーイオン衝撃により原子又は分子はターゲット材料からはじき出され、それによって、はじき出された原子又は原子クラスターは基板上に薄膜として凝縮することができる。スパッタリングは、原子クラスターの移送及び気相成長のより正確な制御ができ、化学的気相成長(CVD)法よりも気相成長膜構造への熱インパクトが小さい。物理的気相成長(PVD)法によるＳｉスパッターターゲットは、画像処理、コンピュータ・ネットワーク構築、及び無線モバイルアプリケーションのように、多種多様の高性能及び低電力利用の為の通信デバイス及びマイクロエレクトロニクス集積回路内の、メタルゲート電極のようなシリコン層及び窒化ケイ素及び炭化ケイ素のようなシリコン化合物構造層により広く使用され始めている。

１つの実施形態においては、無欠陥表面を有するＳｉターゲットブランク、及び、モリブデンから成るバッキングプレート、Ｍｏ／Ｃｕ複合材料から成るバッキングプレート、又はＴｉ／Ａｌ複合材料から成るバッキングプレートを有するシリコンスパッターターゲット／バッキングプレート・アセンブリである。シリコンスパッターターゲットは、はんだ接合、ろう付け接合、ホイル接合(foil bonded)又は他の低温接合法によって、バッキングプレートに接合される。シリコンスパッターターゲットから膜上に気相成長する粒子及び焼き付け時間を減少する為に、シリコンスパッターターゲットのほぼ無欠陥／無損傷表面を達成する為の表面処理が開発されている。表面処理は機械加工、研削、検査、ラップ仕上げ、洗浄、表面損傷除去（即ち、擦り傷除去）、洗浄、研磨、洗浄、検査、最終洗浄、及び最終検査のステップを含む。この発明はシリコンスパッターターゲットの製造方法も提供する。

比較の為のシリコンスパッターターゲット表面処理Ａの工程フローチャートを示す図である。 本発明の１つの実施形態、即ち処理Ｂによるシリコンスパッターターゲット表面処理の工程フローチャートを示す図である。 比較の為の処理Ａにより作られたシリコンスパッターターゲットの表面の光学顕微鏡写真群を示す図である。擦り傷、マイクロ・クラック、へこみ、穴、及び欠け（チップ）を含む欠陥がこれらの表面上に観察されている。 比較の為の処理Ａにより作られたシリコンスパッターターゲットの表面のＳＥＭ画像群を示す図である。擦り傷、汚れ、穴、欠け（チップ）、及びマイクロ・クラックを含む欠陥がこれらの表面上に観察されている。 本発明の１つの実施形態による処理Ｂにより作られたシリコンスパッターターゲットの表面の光学顕微鏡写真群を示す図である。これらの表面は清浄であり、わずかな部分的欠陥を除いて、ほぼ無欠陥である。 比較の為の表面処理Ａにより作られたシリコンスパッターターゲットの干渉計の画像及び表面粗さ計測結果を示す図である。シリコンスパッターターゲット中央位置に平行な擦り傷が検知されている。干渉計の粗さは５つの位置、ターゲット表面中央位置(PC)、３時位置(P3)、６時位置(P6)、９時位置(P9)、及び１２時位置(P12)で、シリコンスパッターターゲット表面周囲から７．６２ｃｍ（３インチ）離れた位置で計測されている。計測された粗さは、ＰＣ＝２．０８４８ｎｍ（２０．８４８オングストローム）、Ｐ３＝１．６７４９ｎｍ（１６．７４９オングストローム）、Ｐ６＝１．４６８９ｎｍ（１４．６８９オングストローム）、Ｐ９＝１．６１９９ｎｍ（１６．１９９オングストローム）、Ｐ１２＝１．５４８７ｎｍ（１５．４８７オングストローム）である。平均計測粗さは１．６７９４ｎｍ（１６．７９４オングストローム）であり、標準偏差は０．２３９４ｎｍ（２．３９４オングストローム）である。 本発明の１つの実施形態による表面処理Ｂにより作られたシリコンスパッターターゲットの干渉計の画像及び表面粗さ計測結果を示す図である。明らかな欠陥は表面上に検知されていない。計測された粗さは、ＰＣ＝１．１９１１ｎｍ（１１．９１１オングストローム）、Ｐ３＝１．３８５７ｎｍ（１３．８５７オングストローム）、Ｐ６＝１．５０７９ｎｍ（１５．０７９オングストローム）、Ｐ９＝１．４６２５ｎｍ（１４．６２５オングストローム）、Ｐ１２＝１．１８８８ｎｍ（１１．８８８オングストローム）である。平均計測粗さは１．３４７２ｎｍ（１３．４７２オングストローム）であり、標準偏差は０．１５００ｎｍ（１．５００オングストローム）である。 比較の為の処理Ａにより作られたシリコンスパッターターゲットから気相成長したＳｉ膜の粒子マップ及び粒子数を示す図である。シリコンスパッターターゲットが２４時間以上の焼き付け／調整された後で、膜上に全部で８６９個の粒子が検知された。 本発明の１つの実施形態による処理Ｂにより作られたシリコンスパッターターゲットから気相成長したＳｉ膜の粒子マップ及び粒子数を示す図である。シリコンスパッターターゲットが８時間以下の焼き付け／調整された後で、膜上に２５個の粒子だけが検知された。

以下の詳細な説明は添付の図面を参照としている。

この発明に含まれるシリコンスパッターターゲットはどのような適切な形状を有することもできる。本発明は、擦り傷除去表面処理及び優れた粒子性能及び焼き付け性能を有するシリコンスパッターターゲットの製造方法を含むものである。シリコンスパッターターゲットはドーパントを除いて少なくとも９９．９９９％の純度を有し、そして好ましくは、９９．９９９９％の純度を有している。シリコンスパッターターゲットは５５０ｍｍまでの直径を有し、本質的にｐ型ドープ又はｎ型ドープされている。シリコンブランクは、多結晶構造、単結晶構造、又は半単結晶構造を有している。Ｓｉの他の構造を使用することもできるが、この特許においては単結晶構造が好ましい。シリコン原材料及びそのドーパント元素は、好ましくはチョクラルスキー結晶成長法又は鋳造法によって、溶融液からシリコンインゴットを成長させる為に溶融される。結果として得られるインゴットはどのような寸法も有することができ、そして、円形、正方形及び長方形を含むどんな適切な形状も有することができる。その後、シリコンインゴットは検査され、様々な部品を作成する為に様々な所望の厚さのインゴットスライスにワイヤーで切断される。シリコンインゴットスライスは、所望の寸法及び表面状態を達成する為に、表面処理を行われる。表面処理には、所望の表面状態及び特性及び形状寸法を有するシリコンスパッターターゲットを形成する為の、機械加工、研削、ラップ仕上げ、研磨、表面損傷除去（即ち、擦り傷除去）、エッチング加工、洗浄、及び検査等の製造作業が含まれるが限定はされておらず、好ましくは、これらの作業のどれか２つの作業の間に追加の洗浄ステップが実施される。仕上げられたシリコンスパッターターゲットは、その後、はんだ接合又は他の低温接合法によって、バッキングプレートに接合され、シリコンスパッターターゲット／バッキングプレート・アセンブリが得られる。はんだは限定されないがインジウム、錫−銀であり、ナノホイル(nanofoil)を使用することもできる。バッキングプレート材料の選択肢はたくさんあり、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｗ、Ｃｕ及びこれらの元素の合金又はＭｏ／Ｃｕ及びＴｉ／Ａｌ等の複合材料バッキングプレートを含むが、限定はされていない。バッキングプレート材料は、シリコンの熱膨張率と密接に適合するように選択された熱膨張率(CTE)を有する。接合されたシリコンスパッターターゲット／バッキングプレート・アセンブリは、２００ｍｍ、３００ｍｍ及びそれ以上の直径を有することもでき、様々なＯＥＭデザインのターゲット構成に作ることができる。

超微細表面を有する模範的なシリコンスパッターターゲットが上記の工程にしたがって製造された。９９．９９９９％又はより高い純度のＳｉ原材料が、Ｓｉインゴット、好ましくはチョクラルスキー結晶成長法を使用して３００ｍｍ〜８００ｍｍの直径、さらに好ましくは４５０ｍｍより大きな直径を有する無転位単結晶Ｓｉインゴットを成長させるために使用される。ＧＤＭＳ(Glow Discharge Mass Spectrometry)法により計測された得られたインゴットの組成が表１に記載されている。

全ての元素に対して重量濃度単位はｐｐｍであり、金属不純物の総含有量は１ｐｐｍよりも少ない。インゴットは所望の厚さのインゴットスライスに切断される。インゴットスライスは、その後、仕上げ表面及び寸法を達成する為に処理Ａを行われる。ここで参照する比較の為の処理Ａは、機械加工、研削、ラップ仕上げ、研磨、洗浄、及び最終検査の製造作業ステップから成る。本発明の１つの特徴による処理Ｂは、機械加工、研削、検査、ラップ仕上げ、洗浄、表面損傷除去、洗浄、研磨、洗浄、検査、最終洗浄、及び最終検査の製造作業ステップから成る。洗浄剤は脱イオン水及び／又は酸を含むが、限定はされていない。更なる洗浄剤及び洗浄器は、ここで参考に組み込まれている米国特許８，２２７，３９４号(Zhu他)から選択することができる。米国特許８，２２７，３９４号に記載されているように、緩衝材及び１つ以上のポリマーを含むガス又は液体のような洗浄流体を準備することができる。ポリマーは洗浄流体内に溶解され、そして、約１０，０００ｇ／ｍｏｌを超える分子量を有する。例えば、ポリマーはポリアクリル酸(PAA)、ポリアクリルアミド(PAM)、ヒドロキシエチル・セルロース(HEC)から選択することができる。ＰＡＡ及びＰＡＭのコポリマーも例として記載されている。洗浄流体内のポリマーの重量％は約０．００１〜１０重量％である。

水に加えて、イソプロピル・アルコール(IPA)、ジメチル・スルホキシド(DMSO)、及びジメチル・ホルムアミド(DMF)等の他の極性溶媒にも言及することができる。クエン酸及びアンモニア(NH₄OH)等の弱酸及び弱塩基を緩衝材の例として言及することができる。

処理Ｂの１つの特徴によると、擦り傷除去ステップは、１．５０ｎｍ（１５．０オングストローム）以下の平均計測粗さを有する基板が得られる研磨を含む。

仕上げられたシリコンスパッターターゲットは、インジウムはんだ接合又は低温接合法によって、バッキングプレートに接合され、シリコンスパッターターゲット／バッキングプレート・アセンブリが得られる。バッキングプレート材料の選択肢はたくさんあり、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｗ、Ｃｕ及びこれらの元素の合金又はトーソーＳＭＤが特許を有するＭｏ／Ｃｕ及びＴｉ／Ａｌ等の複合材料バッキングプレートを含むが、限定はされていない。バッキングプレート材料はシリコンの熱膨張率とほぼ適合する熱膨張率(CTE)を有する。結合されたターゲットアセンブリは、様々のＯＥＭデザインを有する様々の２００ｍｍ、３００ｍｍ及びそれより上のターゲット形状を有することができる。この場合、バッキングプレート材料はＭｏ／Ｃｕ複合材料であり、寸法は３００ｍｍ型のシリコンスパッターターゲット／バッキングプレート・アセンブリが得られる。

表面処理Ａ及びＢを行なったシリコンスパッターターゲットに対して表面微細構造試験が実施された。図３に図示されているように、光学顕微鏡画像には、比較の為の表面処理Ａを行なったシリコンスパッターターゲットが擦り傷、マイクロ・クラック、へこみ、穴、及び欠け（チップ）を含むかなりの量の表面欠陥を有することが示されている。図４に図示されているように、走査電子顕微鏡(SEM)は、擦り傷、汚れ、穴、欠け（チップ）、及びマイクロ・クラックが、処理Ａを行なったシリコンスパッターターゲットの表面に存在することを確認している。対照的に、図５に示されているように、表面処理Ｂを行なったシリコンスパッターターゲットの表面は清浄であり、ほぼ無欠陥である。

表面処理Ａ及びＢを行なったシリコンスパッターターゲットの表面粗さを計測する為に、非破壊干渉計表面粗さ計測が実施された。図６は、処理Ａを行なったシリコンスパッターターゲットの表面の干渉計の画像及び粗さ計測データである。粗さは５つの位置、シリコンスパッターターゲット表面中央位置(PC)、３時位置(P3)、６時位置(P6)、９時位置(P9)、及び１２時位置(P12)で、シリコンスパッターターゲット表面周囲から７．６２ｃｍ（３インチ）離れた位置で計測されている。平均計測粗さは１．６７９ｎｍ（１６．７９オングストローム）であり、標準偏差は０．２３９４ｎｍ（２．３９４オングストローム）であることを計測は示している。平行型擦り傷が検知されている。図７は、処理Ｂを行なったシリコンスパッターターゲットの表面の干渉計の画像及び粗さ計測データである。シリコンスパッターターゲット表面上に欠陥は検知されていない。計測された粗さは、ＰＣ＝１．１９１１ｎｍ（１１．９１１オングストローム）、Ｐ３＝１．３８５７ｎｍ（１３．８５７オングストローム）、Ｐ６＝１．５０７９ｎｍ（１５．０７９オングストローム）、Ｐ９＝１．４６２５ｎｍ（１４．６２５オングストローム）、Ｐ１２＝１．１８８８ｎｍ（１１．８８８オングストローム）である。平均計測粗さは１．３４７２ｎｍ（１３．４７２オングストローム）であり、標準偏差は０．１５００ｎｍ（１．５００オングストローム）である。処理Ｂを行なったシリコンスパッターターゲット表面は、処理Ａを行なったシリコンスパッターターゲット表面に比べて、より少ない表面欠陥を有し、そしてより低い粗さを有している。

処理Ａ及びＢにより作られたこれらの２つの３００ｍｍシリコンスパッターターゲットにスパッタリング試験が実施された。スパッタリング工程パラメーターは同一である。シリコンスパッターターゲットは所望の低粒子数を達成する為に調整又は焼き付けされた。処理Ａを行なったシリコンスパッターターゲットにおいては、初期粒子数は２０００を超え、図８に示されているように、２４時間の焼き付け後、まだ８００を超える粒子が膜上に検知された。対照的に、処理Ｂを行なったシリコンスパッターターゲットから気相成長した膜においては、初期粒子数は少なく、図９に示されているように、８時間より少ない焼き付けで、粒子数レベルは５０粒子以下にまで下げられた。場合によっては、処理Ｂを行なったシリコンスパッターターゲットから気相成長した膜上に検知された粒子数は５未満であった。これは、様々な材料のスパッターターゲットから気相成長した膜において今までに達成された最も低い粒子数の１つである。処理Ｂを行なったシリコンスパッターターゲットは、処理Ａを行なったシリコンスパッターターゲットに比べて、飛躍的により少ない粒子数を有し、そしてより少ない焼き付け時間を有している。

シリコンスパッターターゲットの焼き付け時間及び粒子性能は、シリコンスパッターターゲット表面状態又は処理と相関性があることを発見した。表面除去、即ち擦り傷除去及び複数の洗浄製造作業を含む表面処理（処理Ｂ）を行なったシリコンスパッターターゲットは、シリコンスパッターターゲット表面損傷除去及び中間洗浄製造作業を含まない表面処理（処理Ａ）を行なったシリコンスパッターターゲットに比べて、より少ない表面欠陥を有し、そしてより低い表面粗さを有することを発見した。処理Ｂはシリコンスパッターターゲット表面副層損傷及び潜在的汚染を除去し、それにより、より清浄なシリコンスパッターターゲット表面及びより少ない表面欠陥をもたらし、そして、より少ない膜粒子数及びより短い焼き付け時間をもたらす。

また、シリコンスパッターターゲットを製造する為にこの方法が開示されていることは明らかである。１つの実施形態においては、シリコンスパッターターゲットは、モリブデン又はＭｏ／Ｃｕ複合材料から成るバッキングプレートと接合して提供されている。シリコンスパッターターゲットの直径は約８００ｍｍ以下の範囲である。

シリコンスパッターターゲットは優れたスパッター性能を達成する為に高い表面仕上げを施し、そして、切断、機械加工、研削、ラップ仕上げ、研磨、表面損傷除去（即ち、擦り傷除去）、エッチング加工、洗浄、及び検査等の製造作業を行なったシリコンインゴットから作られる。好ましい実施形態においては、所望の表面状態を有するシリコンスパッターターゲット表面を形成する為に、これらの作業のどれか２つの間に追加の洗浄及びエッチング加工ステップが実施される。得られたシリコンスパッターターゲットは視覚的に鏡面反射面を有し、そしてほぼ無損傷／無欠陥の表面を有し、表面粗さは５０ｎｍ（５００オングストローム）未満であり、好ましくは１０ｎｍ（１００オングストローム）未満である。

本発明によるシリコンスパッターターゲットは短い焼き付け時間を有し、そして、得られたシリコンスパッターターゲットから気相成長した膜は低い粒子数を有する。

例えば、シリコンスパッターターゲットはドーパントを除いて少なくとも約９９．９９９％の純度を有することができる。シリコンスパッターターゲットは５００ｍｍまでの直径を有し、本質的にｐ型ドープ又はｎ型ドープされている。シリコンスパッターターゲットは、多結晶構造、単結晶構造、又は半単結晶構造を有している。

バッキングプレートは、２Ｎ５以上の純度を有する純モリブデンであり、又は他の実施形態においては、Ｍｏ／Ｃｕ複合材料バッキングプレートを使用することもできる。本発明のさらに他の特徴においては、バッキングプレート構造にＴｉ／Ａｌ複合材料を使用することもできる。

シリコンスパッターターゲットは、インジウム、錫−銀、及びナノホイル等を使用したはんだ接合によって、バッキングプレートに接合される。他の実施形態においては、バッキングプレート材料は、シリコンスパッターターゲット材料の熱膨張率に密接に適合するように選択された熱膨張率を有する。そのようなバッキングプレート材料は、Ｎｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｗ、Ｃｕ及びこれらの元素の合金、特にＭｏ／Ｃｕ及びＴｉ／Ａｌ複合材料から成るバッキングプレート、を含むが、限定はされていない。

本発明はその好ましい実施形態に関連して開示されているが、本発明は、この手段が本発明の効果を発揮する好ましい構造を有するので記載された、特定の実施形態に限定されるものではないと理解されるべきであり、他の実施形態も以下の特許請求の範囲に規定されている発明の範囲内に入るものである。

ＰＣ ターゲット表面中央位置
Ｐ３ ３時位置
Ｐ６ ６時位置
Ｐ９ ９時位置
Ｐ１２ １２時位置

Claims (2)

1. シリコンスパッターターゲット／バッキングプレート・アセンブリを製造する方法であって、該方法が、シリコンブランクを準備するステップ、及び、シリコンスパッターターゲット上に鏡面表面を備えるように、該シリコンブランクから擦り傷を除去するステップを有し、該方法がさらに、第１及び第２の洗浄ステップを有し、該第１の洗浄ステップが該擦り傷除去ステップの前に実施され、該第２の洗浄ステップが該擦り傷除去ステップの後に実施され、
   第１又は第２の洗浄ステップのいずれかが、ポリマーを有する液体洗浄溶液を該シリコンブランク表面に接触させることを含むことを特徴とする方法。
2. 該ポリマーが、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド、及びヒドロキシエチル・セルロースから選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。