JP3971171B2 - 銅スパッターターゲットの加工方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スパッターリングプロセスにおいて粒子発生を減少させかつ半導体デバイス及び回路の製造において使用される半導体ウェーハのような、基材上でのフィルム均一性を高めるの両方のために、高純度の銅スパッターターゲットを加工する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパッターリングとは、加工チャンバー内に装備した半導体ウェーハ又はその他の基材を被覆することを伴うプロセスを言う。このチャンバーは、電場によってイオン化された不活性ガス及びウェーハに空間的に向かい合わせにされたスパッターターゲットを収容する。スパッターターゲットは、ウェーハへの電気的バイアスを収容する。ガスからのイオンがターゲットに衝撃を与え、ターゲットから原子を追い出してターゲット物質をウェーハに付着させる。
【０００３】
半導体産業において使用されるスパッターターゲット、一層特に薄いフィルムを複雑な集積回路に物理蒸着（ＰＶＤ）させる際に使用されるスパッターターゲットの製造では、１）フィルム均一性；２）高い蒸着速度；３）スパッターする間の最少の粒子発生；及び４）トランジスターを接続するための良好な導電率を備えることになるスパッターターゲットを製造するのが望ましい。例えば、アルミニウム及びアルミニウム合金スパッターターゲットをスパッターすると、相互接続の目的で集積回路上に薄い導電性フィルムを蒸着させる。しかし、銅は、相互接続技術においてアルミニウムの代替品になる可能性を有する。銅は、高い導電性とアルミニウムに比べてエレクトロマイグレーションへの一層大きな抵抗の両方を有する。銅相互接続フィルムを使用することのその他の可能性のある利点は、電力損及び相互接続シグナルディレイの両方を低減させることを含む。
【０００４】
粒度が大きくなりかつ粒度の均一性が低くなるにつれて、ターゲット性能が低下する。その上に、スパッターターゲットの結晶学的な配向及びターゲットから排出される物質の分布が、フィルム均一性及びスパッター蒸着速度に影響を与えることは知られている。また、ターゲットからの原子のスパッターリングがターゲット物質の密集した方向に沿って優先的に行われかつランダムに近い粒子配向がスパッターされたフィルムの一層良好な均一性をもたらすことも知られている。
【０００５】
アルミニウム又は銅ターゲットを製造する従来のプロセスは、（２００）か又は（２２０）のいずれかの配向された結晶構造をもたらす。しかし、強い（２００）又は（２２０）結晶配向を有するターゲットは、均一性不良のフィルムを生じる。これより、ランダムな又は弱い配向を有するターゲットを有するのが望ましい。
【０００６】
銅スパッターターゲットは、粒度を制御するために、サイズが１０μｍまでの第二相合金沈殿を含有し得る。しかし、大きな第二相沈殿の不良な導電率は、スパッターする間に局部アーク放電を発生し、不利な高い密度又は大きな粒子を蒸着させ得る。その上に、粒度を制御するのに第二相を使用すると、純度９９．９９パーセント又はそれ以上を有する銅ターゲットに有効な制御を与えない。
【０００７】
慣用のターゲットカソードアセンブリーでは、単一の結合面は、ターゲットを非磁性支持板、典型的にはアルミニウム又は銅支持板に取り付ける。これは、アセンブリー中で、スパッターターゲットと支持板との間の平行な界面を形成する。支持板は、ターゲットをスパッターリングチャンバー内に保持するための手段となりかつターゲットに構造上の安定性を与える。また、支持板を水冷却して、ターゲットのイオン衝撃によって発生される熱を除く。ターゲットと支持板とを、はんだ付け、ろう付け、拡散結合、締付け、スクリュー締結又はエポキシ接着のような技術によって取り付けると、ターゲットと支持板との間の良好な熱的及び電気的接触を達成する。遺憾ながら、はんだ接着は、スパッターリング作業中剥離を受けやすい。その上に、「軟質の」はんだに付随する比較的低い接着温度は、スパッターするためのターゲットの温度範囲を下げる。これより、はんだ接着されたアセンブリーは、消費者にとって一層高くつきかつ時間が掛かる、と言うのは、ターゲットを、ターゲットと支持板とを分離させないようにするために、一層低い電力レベルで使用しなければならないからである。これは、スパッターリング速度の低下を生じる。
【０００８】
拡散結合、特に前処理された荒い表面との拡散結合は、一層強い結合をもたらす。しかし、拡散結合のための準備は、時間が掛かる。一層重要なことは、拡散結合において伴われる高い温度が、予備結合加工する間に得られるミクロ構造を変えることである。従って、たとえターゲット製造工程の間に、微細な粒度及びランダムな配向を達成することができるとしても、それらは、現行の拡散結合技術によって失われる。拡散結合は、純銅ターゲットについて、粒度を倍近くにする作用を有する。これより、剥離並びにミクロ構造的及び冶金学的特性の変化は、従来の拡散結合技術の有意の不利であり、スパッターターゲットにおいて小さい均一な粒子が望ましい銅ターゲットアセンブリーについてそれらを望ましくないものにする。
【０００９】
支持板を用いないでモノリシックスパッターターゲットを使用することの代案もまた、サイズの一層大きなケイ素ウェーハがスパッターするためにターゲット直径の増大が継続して要求されていること及びターゲット材料の純度増大させる要求があり、これらは共に、モノリシックターゲットについてコストの増大を生じることに鑑みて、実施し難くなる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、微細な等軸の均一な粒子構造及びランダムな結晶学的構造を非磁性支持板に強く結合させた純銅ターゲットアセンブリーを加工する方法を提供したい要求が存在する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
発明の概要
その方法は、純銅スパッターターゲットを加工するのに使用する。その方法は、初めに銅ビレットを加熱して温度少なくとも約５００℃にすることを含む。銅ビレットは、純度少なくとも９９．９９パーセントを有する。次いで、銅ビレットを熱間加工して少なくとも約４０パーセントの歪みをかける。次いで、熱間加工された銅ビレットを冷間圧延して少なくとも約４０パーセントの歪みを加えかつ銅板を形成する。最終的に、銅板を約２５０℃を超える温度でアニールしてターゲットブランクを形成する。ターゲットブランクは、平均粒度が約４０μｍよりも小さい等軸の粒子を有する。ターゲットブランクの結晶学的構造は、（１１１）、（２００）、（２２０）及び（３１１）配向の粒子を含有し、配向の各々を有するターゲットブランクの粒子の量は約５０パーセントよりも少ない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
発明の具体的な説明
加熱、熱間加工、冷間加工及びアニーリングの工程を含むプロセスによって高純度の銅を加工すると、ランダムな配向の微細、均一な粒子を有するスパッターターゲットを生成する。このプロセスは、これらの工程を高純度の銅インゴット、ビレット、板又は続く加工作業に適したその他の任意の形態に適用する。高純度の銅は、純度少なくとも９９．９９パーセントを有する。銅は、純度少なくとも９９．９９９パーセントを有するのが有利である。銅は、不純物含有粒子の発生を制限するために、純度少なくとも９９．９９９９パーセントを有するのが最も有利である。このスパッターターゲットを支持板に爆発結合させて、粒子のサイズ又は配向を変えないで支持板を生じさせるのが最も有利である。
【００１３】
初めに、高純度の銅を加熱して約５００℃を超える温度にして、銅を熱間加工するための準備をする。この工程は、均一な加熱を確実にするために銅を少なくとも３０分間予備加熱する。その上に、高純度の銅ビレットは、断面が厚い程、要する予備加熱が長くなる。高純度の銅を温度約５００°〜７５０℃の範囲に約１〜６時間の期間加熱して、ビレットを熱間加工するための準備をするのが有利である。高純度の銅を温度約６００°〜７００℃の範囲に約１〜６時間の期間加熱して、アニールした後の最終の粒度を向上させる。銅ビレットを加熱して温度約６２５°〜６７５℃にすると、最も有利な結果を生じる。物質を予備加熱する雰囲気は、臨界的なものではない。その物質は、周囲条件下で加熱しても、又は酸化を最少にするように保護雰囲気中で加熱してもよい。
【００１４】
高純度の銅物質を、次いで温度少なくとも約５００℃で少なくとも４０パーセントの歪みを加えることによって熱間加工して残留する大きな粒子を破壊する。この仕様のために、熱間加工は、エネルギーを銅に、過度のクラッキング又は過度の粒子成長無しで付与する歪みを加える温度を規定する−これらの条件下で、部分再結晶又は完全に近い再結晶が起き得る。有利には、ホットプレス（熱圧）、熱間鍛造、熱間圧延、等チャネル角の押出し又はその他の任意の適した金属加工作業による等で約４０〜８０パーセント歪みで熱間加工すると、最良の結果を生じる。熱間加工は、歪みが４０パーセントよりも小さい場合には、続く冷間加工工程に十分に粒子を破壊しないかもしれず、歪みが８０パーセントを超える場合には、制御されない粒子成長を生じることになる。熱間加工は、約５０〜７０パーセントの歪みを高純度の銅に付与する。本明細書中で用いる通りの加工の量は、厚さ低減と出発厚さとの間の比に１００パーセントを乗じるか又は物質に加える剪断歪みの量のいずれかと規定する。熱間加工は、中間アニーリング工程を用いて行っても又は中間アニーリング工程を用いないで行ってもよい。
【００１５】
熱間加工は、温度が５００℃よりも低いと、クラッキングを生じることになり、温度が７５０℃を超えると、粒子成長を生じることになる。温度約５００°〜７５０℃が、過度の粒子成長無しで有効な粒度破壊をもたらす。有利には、温度約６００°〜７００℃で熱間加工すると、広範囲の歪みを銅に付与するのを可能にする。熱間加工は、温度約６２５°〜６７５℃で行うのが最も有利である。再び、物質を熱間加工する雰囲気は、臨界的なものではない。熱間加工された物質を、次いで空冷、オーブン冷却、水中での急冷又はその他の任意の媒体中での急冷によって冷却させてほぼ室温にする。
【００１６】
熱間加工された物質を、次いで少なくとも４０パーセントの歪みで冷間圧延して更に粒子を破壊する。この仕様のために、冷間圧延は、周囲条件の銅により又は２５０℃よりも低い温度に予備加熱した銅による温度での圧延と定義する。有利には、約４０〜８０パーセントの歪み、最も有利には、約５０〜７０パーセントの歪みで冷間圧延すると、更に粒子を破壊して所望の最終厚さのターゲットブランクを形成する。冷間圧延が、銅を約２ｃｍよりも薄い厚さにさせるのが最も有利である。
【００１７】
２５０℃よりも低い温度に予備加熱した銅によって冷間圧延すると、冷間圧延する間の粒子成長を防ぐ。冷間圧延は、２００℃よりも低い温度に予備加熱した銅で行うのが有利である。冷間圧延は、周囲条件下で行うのが最も有利である。
【００１８】
冷間圧延に、約２５０℃を超える温度のターゲットブランクによるアニーリングを続けて微細、均一な粒度及びランダムな配向の最終的なミクロ構造を得る。アニーリングは、温度約２５０°〜４００℃で行うのが有利であり、約３００°〜３７５℃で行うのが最も有利である。アニーリング温度が低すぎると、銅を再結晶化しないことになり、温度が高すぎると、制御されない粒子成長を生じることになる。加熱工程による通りに、ターゲットを周囲条件下でアニールしても、又はターゲット物質の酸化を最少にするために保護雰囲気中でアニールしてもよい。
【００１９】
有利には、少なくとも３０分間アニールすると、十分な再結晶化をもたらす。典型的な商業作業は、約０．５〜１２時間のアニールサイクルを使用することになる。アニーリングは、約１〜２時間のアニールサイクルで行うのが最も有利である。
【００２０】
このプロセスは、サイズが約４０μｍよりも小さい粒子を生成する。粒子は、最終サイズ約１０〜３５μｍを有するのが有利である。最終の粒度は、約１０〜３０μｍであるのが最も有利である。
【００２１】
アニールした後のターゲットブランクの結晶学的構造は、（１１１）、（２００）、（２２０）及び（３１１）配向の粒子を含有する。上記の配向の各々を有するターゲットの粒子の量は約５０パーセントよりも少ないのが有利である。上記の配向の各々を有するターゲットの粒子の量は各々の粒子配向の約４０パーセントよりも少ないのが最も有利である。例えば、典型的なターゲットの粒子は、上記の粒子配向の各々を約１０〜４０パーセント有するのが有利であり、上記の粒子配向の各々を約１５〜３５パーセント有するのが最も有利である。
【００２２】
粒子は、アニールした後に、本明細書中粒子の長さ（冷間圧延方向）を幅（冷間圧延方向の横方向）で割った比と定義するアスペクト比が約１．５よりも小さいのが有利であり、約１．３よりも小さいのが最も有利であり、これは、等軸の粒子を示すものである。ターゲット物質に更なる仕事を与えるのを避けるように高い温度にするが、ターゲットブランクの上部及び下部面を、２つの反対の位置の板の間で表面を平らにするが、ターゲットの厚さを有意に低減させる程でない圧力でプレスすることによる等して扁平にしてよい。
【００２３】
上記のプロセスは、スパッターする間に良好な均一性及び最少の粒子発生を達成するために望ましいターゲットミクロ構造をもたらすことから、ターゲットアセンブリーを完全にするための更なる製造工程は、ミクロ構造への変化を最少にしなければならない。詳細には、ターゲットを支持板に接着させるための技術及びターゲットを最終寸法に機械加工することは、高い温度又は更なる仕事をターゲット物質に課すことを避けるべきである。
【００２４】
これより、本発明のそれ以上の原理に従えば、ターゲットブランクを銅、アルミニウム或はその他の任意の適した金属又は合金の支持板に爆発結合させる。適した金属は、良好な熱伝導率、高い強度及び弾性質を有するもので、それの熱膨張係数が銅に匹敵するものである。爆発結合は、ターゲットの表面を支持板の表面に極めて接近して置き（すなわち、それらの間の隔離スペースを小さくして）かつ表面の内の一方又は両方を互いの方向に加速するために１つ又はそれ以上の管理されたデトネーションを生成することによって達成する。爆発結合法は、Ｐａｕｌ Ｓ．Ｇｉｌｍａｎ等の”Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｂｏｎｄｉｎｇ ａ Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ ｔｏ ａ Ｂａｋｉｎｇ Ｐｌａｔｅ”なる表題の同時継続米国特許出願第０９／３４９，２８５号において十分に説明しており、同米国特許出願の全体を本明細書中に援用する。
【００２５】
この爆発結合法により、ウェーブ−タイプ形態学の形態の強い原子／金属学的結合が、スパッターターゲットと支持板との間の界面に造られるが、スパッターターゲット又は支持板物質の金属学的性質の変更は、ウェーブ−タイプ結合界面に関して固有の局部変形を除いて生じない。爆発結合プロセスは、高くない温度で行われ、プロセスから発生される熱は、熱が支持板及びターゲット物質に伝導するのに不十分な期間発生される；従って、ターゲット及び支持板金属中に、粒子成長を生成する認め得る温度上昇が存在しない。これより、ターゲットブランクを加工することによって達成される微細な配向された粒子は、爆発結合プロセスによって変更されず、しかも、強い結合が達成される。
【００２６】
【実施例】
例１
テストは、長さ３．８１ｃｍ及び厚さ５．３１ｃｍを有する正方形の銅スラブに依拠した。サンプルＡ〜Ｄは、比較例を表し、サンプル１〜８は、発明の例を表す。サンプルＡ〜Ｄ及びサンプル１〜８は、純度約９９．９９パーセントを有し、サンプル９〜１１は、純度少なくとも９９．９９９パーセントを有するものであった。
【００２７】
【表１】

【００２８】
下記の表２は、アニーリング温度が粒度に与える最終作用を例示する。
【００２９】
【表２】

【００３０】
表１及び表２に掲記するプロセスは、純度９９．９９及び９９．９９９パーセントの銅において粒度を調節するための有効な手段を提供した。加えて、このプロセスは、等軸の粒子構造を有しかつ（１１１）、（２００）、（２２０）及び（３１１）配向の各々が５０パーセントよりも少ない銅を生成した。比較サンプルＡ〜Ｄは、熱圧がなく、（２２０）方向で配向される粒子を５０パーセントよりも多く含有していた。
【００３１】
例２
テストは、また、いくつもの連の純度９９．９９９９パーセントの銅スラブを含むものであった。これらの銅スラブは、粒子を束縛し（ｐｉｎ）かつ粒子成長を防ぐ不純物が無いことにより、一層精密な制御を要する。このテストは、直径１５．５６ｃｍ及び厚さ４．９８ｃｍを有する丸い断面のスラブに依拠した。すべてのサンプルを、温度に加熱した炉の中に入れて１時間アニールした。
【００３２】
下記の表３及び表４に示す実験は、アニーリング温度が発明のプロセスに与える作用をテストする。
【００３３】
【表３】

【００３４】
【表４】

【００３５】
【表５】

【００３６】
表５は、アニーリング温度を約４２５℃よりも低く保つと、最適な最終粒度をもたらすことを例示する。その上に、そのプロセスは、単一の又は複数の工程で作動する。
【００３７】
例３
直径１２．７０ｃｍ及び高さ１０．１６ｃｍを有する純度９９．９９９パーセントの銅ビレットを周囲条件下で温度６５０℃に約１時間加熱した。その物質を、次いで周囲条件下で中間アニールしないで６０パーセント熱圧した。熱圧された物質を、次いで空気中で冷却し、続いて冷間圧延して６０パーセント低減させた。ターゲットブランクを、次いで周囲条件下で温度３５０℃において約２時間アニールし、２つの反対の位置の板の間で扁平にし、アルミニウム支持板に爆発結合させた。スパッターターゲット／支持板アセンブリーは、平均粒度約２５μｍ及びアスペクト比１．０５を有するスパッターターゲットを示し、これは、ターゲット加工する間に得られかつ爆発結合プロセスの間保たれた。観測された結晶学的構造は、（１１１）、（２００）、（２２０）及び（３１１）配向の等しい比を示した。
【００３８】
本発明を発明の実施態様を記載することによって例示し、かつ実施態様を相当に詳細に記載したが、特許請求の範囲の記載をそのような詳細に限定する又はいずれかでも制限することを意図しない。更なる利点及び変更は、当業者に容易に明らかになるものと思う。従って、発明は、それの一層広い態様では、示しかつ記載する特定の詳細、代表的な装置及び方法並びに具体例に制限しない。よって、出願人の全体的な発明の概念の範囲又は精神から逸脱しないで、そのような詳細から逸脱してよい。

Claims (1)

1. 下記：
   純度少なくとも９９．９９９パーセントを有する銅ビレットを加熱して温度６００〜７００℃にする工程；
   温度６００〜７００℃を有する加熱された銅ビレットを熱間加工して５０〜７０パーセントの歪みにする工程；
   熱間加工された銅ビレットを冷間圧延して５０〜７０パーセントの歪みを加えかつ銅板を形成する工程；及び
   銅板を温度３００〜３７５℃でアニールして、平均粒度が１０〜３０μｍでありかつ（１１１）、（２００）、（２２０）及び（３１１）配向を含有し、配向の各々を有する粒子の量は５０パーセントよりも少ないターゲットブランクを形成する工程を含む銅スパッターターゲットの加工方法。