JP4817536B2

JP4817536B2 - スパッタターゲット

Info

Publication number: JP4817536B2
Application number: JP2001170635A
Authority: JP
Inventors: 木幸伸鈴; 邊光一渡; 辺高志渡; 上隆石; 阪泰郎高
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-06-06
Filing date: 2001-06-06
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2021-06-06
Also published as: JP2002363736A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タンタルスパッタターゲット、それによって成膜されたバリア膜およびこのバリア膜を具備する電子部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＬＳＩに代表される半導体工業は急速に進捗しつつある。中でも２５６ＭビットＤＲＡＭ、ロジックやシステムＬＳＩ等、あるいはそれ以降の半導体素子においては、集積回路の高集積化・高信頼性・高機能化が進むにつれて微細加工技術に要求される精度も益々高まっている。このような集積回路の高密度化、高速化に伴って、アルミニウムや銅を主成分として形成される金属配線の幅は０．１３μm以下になりつつある。
【０００３】
一方、集積回路を高速で動作させるには、アルミニウムあるいは銅配線の電気抵抗を低減することが必須となる。配線の電気抵抗を低減するには、従来の構造を用いた場合、配線の高さ（即ち、配線層の厚さ）を厚くする方法がある。しかし、更なる高集積化・高密度化が要求されるデバイスでは、このような積層構造を用いた場合、配線上に形成される絶縁膜のカバレッジ性が悪くなって、歩留まりが低下することが避けがたい。
【０００４】
そこで、従来の配線技術とは異なる、デュアルダマシン（ＤＤ）配線技術が提案されている。ここで、ＤＤ技術とは、あらかじめ下地膜に形成した配線溝に、配線材となるアルミニウムや銅を主成分とする金属をスパッタリング法やＣＶＤ法等を用いて成膜し、熱処理（リフロ−）によって溝へ流し込み、ＣＭＰ（Chemical Machanical Polishing）法によって余剰の配線金属を除去することからなる技術のことである。
【０００５】
上述した半導体デバイスに用いられる配線材料としては、抵抗率がアルミニウムに比べて低い銅配線が主流となっている。銅配線が有利な点は、アルミニウム配線に比べてエレクトマイグレーション性に優れていることである。これからの高速デバイスでは銅配線が主流となっている。
【０００６】
銅配線を適用する場合、銅が基板として用いられたケイ素中へ拡散して少数キャリアの寿命が短くなる場合があることから、ケイ素基板と銅配線層との間に、銅の拡散防止を目的としてバリア膜を設けることが行われている。例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）膜あるいは窒化タンタル（ＴａＮ）膜からならバリア膜を形成することが行われている（特開平１０−２４２２７９号公報）。特に窒化タンタル膜からならバリア膜は、熱的に安定でバリア性に優れていることから、最近注目されているものである。このような窒化タンタル膜は、窒素ガス含有雰囲気中で、タンタルターゲットを用いて反応性スパッタすることによって形成することができる。
【０００７】
設計ルールが益々厳しくなるＬＳＩデバイスでは、アスペクト比も４を超える製品が当たり前になってくる。このようなデバイスに対応していくためには、従来のスパッタ技術つまりコリメーションスパッタ法、長距離スパッタ法、低圧スパッタ法や最近では、バイアススパッタ法なども取り入れて評価を行っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
窒化タンタルからなるバリア膜は、熱的安定性、バリア性の点で好ましいものであることは前記した通りである。しかし、従来のタンタルスパッタターゲットを用いて反応性スパッタによって製造した窒化タンタル膜は、膜厚の均一性が良好でないという問題点があった。バリア膜が不均一である場合には、バリア性の低下やそのバリア膜上に配線を設けるのが困難になる場合があり、歩留まり低下が避けられない。バリア膜の均一性を高めることは、集積回路のさらなる高密度化、高速化ならびに製造の際のウェーハを大口径化するうえで重要である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、タンタルスパッタターゲットのスパッタされる面のＸ線回折によって求められる所定の結晶面の強度比を特定することによって、上記課題に解決を与えようとするものである。
【００１０】
したがって、請求項１の本発明によるタンタルスパッタターゲットは、スパッタされる面のＸ線回折により求められた結晶面の（１１０）／{（１１０）＋（２００）＋（２１１）＋（２２０）＋（３１０）}の強度比の、スパッタ表面部分の場所によるばらつきが２０％以内であること、を特徴とするものである。
【００１１】
請求項２の本発明によるタンタルスパッタターゲットは、上記の（１１０）／{（１１０）＋（２００）＋（２１１）＋（２２０）＋（３１０）}の強度比が０．４以上０．６以下であることを特徴とする、請求項１に記載のタンタルスパッタターゲットである。
【００１２】
請求項３の本発明によるタンタルスパッタターゲットは、スパッタされる面の平均結晶粒径が３００μｍ以下であり、かつ平均結晶粒径のスパッタ表面の場所によるばらつきが２０％以内であることを特徴とする、請求項１または請求項２のタンタルスパッタターゲットである。
【００１３】
請求項４の本発明によるタンタルスパッタターゲットは、鉄、ニッケル、クロム、銅、アルミニウム、ナトリウム、カリウム、ウランおよびトリウムの含有量の合計が０．０１重量％以下である高純度タンタルからなることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれかのタンタルスパッタターゲットである。
【００１４】
請求項５の本発明によるタンタルスパッタターゲットは、銅もしくはアルミニウムもしくはそれらの合金材のバッキングプレートと接合一体化されてなることを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれかのタンタルスパッタターゲットである。
【００１５】
請求項６の本発明によるタンタルスパッタターゲットは、窒化タンタル膜からなるバリア膜を形成する際に用いられるものであることを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれかのタンタルスパッタターゲットである。
【００１６】
請求項７の本発明によるバリア膜は、窒素ガス雰囲気中で、請求項１乃至請求項６のいずれかのタンタルスパッタターゲットを用いて成膜された窒化タンタル膜からなることを特徴とする、バリア膜である。
【００１７】
請求項８の本発明によるバリア膜は、バリア膜厚の場所によるばらつきが５％以内であることを特徴とする、請求項７のバリア膜である。
【００１８】
請求項９の本発明による電子部品は、請求項７または請求項８のバリア膜を具備することを特徴とする、電子部品である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
＜タンタルスパッタターゲット＞
本発明によるタンタルスパッタターゲットは、スパッタされる面のＸ線回折により求められた結晶面の（１１０）／{（１１０）＋（２００）＋（２１１）＋（２２０）＋（３１０）}の強度比の、スパッタ表面部分の場所によるばらつきが２０％以内であること、を特徴とするものである。上記の強度比が１５％以下、さらには１０％以下のものが特に好ましい。このような、ばらつきが少ないタンタルスパッタターゲットを使用すれば、より均一性が高いバリア膜を容易に得ることができる。
【００２０】
本発明タンタルスパッタターゲットの中でも、上記の強度比、即ち、（１１０）／{（１１０）＋（２００）＋（２１１）＋（２２０）＋（３１０）}の強度比が０．４以上０．６以下であることが好ましい。上記の強度比が上記範囲をはずれると、均一性の高い膜を得られにくくなる。本発明では、上記強度比が０．４５〜０．５７であるものが好ましく、さらには０．４７〜０．５３が好ましい。ここで、（１１０）面の強度と上記各結晶面強度の総和との強度比を規定した理由は、（１１０）面はＴａ（ＢＣＣ構造）の最稠密面であり、最もスパッタされやすい面であるためである。
【００２１】
なお、本発明において、上記強度比の「スパッタ表面での場所によるばらつき」は、下記のようにして求めたものである。
すなわち、図１に示すように、例えば円盤状のスパッタリングターゲットの中心部（位置１）と、この中心部を通り円周を均等に分割した４本の直線上の中心から９０％（中心を０％、半径の長さを１００％とする）の距離にある点（位置２〜９）、および中心から５０％（上記と同様に、中心を０％、半径の長さを１００％とする）の距離にある点（位置１０〜１７）から、それぞれ長さ１５ｍｍ、幅１５ｍｍの試験片を合計１７個採取する。採集された試験片を＃１０００まで研磨し、更にバフ研磨を行って、表面を鏡面にする。この鏡面研磨された試験片の（１１０）、（２００）、（２１１）、（２２０）、（３１０）の結晶面のＸ線回折強度を測定する。Ｘ線回折強度の測定は各試験片毎に１０回以上行い、その平均値をもとに上記の（１１０）／{（１１０）＋（２００）＋（２１１）＋（２２０）＋（３１０）}の強度比を算出する。採取された１７個の各試験片について、それぞれ上記の強度比の値を求める。
【００２２】
本発明でのＸ線回折強度比の「スパッタ表面での場所によるばらつき」は、上記のようにして得られた１７のＸ線回折強度強度比のうちの最大値および最小値から
｛（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）｝ × １００
の式に基づいて求めた値の平均値を、単位（％）により表すものとする。
【００２３】
Ｘ線回折装置は、理学社製のＸ線回折装置（ＸＲＤ）、条件は次の通りである。
【００２４】
測定条件
Ｘ線：Ｃｕ，ｋ−α１，５０ｋＶ，１００ｍＡ、縦型ゴニオメーター、発散スリト：１ｄｅｇ、散乱スリット：１ｄｅｇ、受光スリット：０．１５ｍｍ、走査モード：連続、スキャンスピード：１°／ｍｉｎ、スキャンステップ：０．０１°、走査軸：２θ／θ、測定角度：３０〜１００°
本発明によるタンタルスパッタターゲットは、高純度タンタル、特に鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ウラン（Ｕ）およびトリウム（Ｔｈ）の含有量の合計が０．０１重量％以下である高純度タンタル、からなるものが好ましい。不純物量が多い場合には、均質のバリア膜を成膜するのが困難になり、バリア膜の特性、例えば耐熱性、絶縁性、耐食性等、が低下する場合がある。
【００２５】
さらに、本発明によるタンタルスパッタターゲットは、スパッタされる面の平均結晶粒径が３００μｍ以下であり、かつ平均結晶粒径のスパッタ表面の場所によるばらつきが２０％以内のものが好ましい。平均結晶粒径が３００μｍ超過であると、膜厚の均一性が低下し、平均粒径のスパッタ表面の場所によるばらつきが２０％以上であると、やはり膜厚の均一性が低下するという問題が発生することがある。
【００２６】
ここで、平均結晶粒径の「スパッタ表面での場所によるばらつき」は、図１に示されたスパッタターゲットの１７点から採取され、同様に鏡面研磨された試験片についての平均粒径の測定を１０回以上行い、これらの１７の平均粒径値のうちの最大値および最小値から
｛（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）｝ × １００
の式に基づいて求めた値の平均値を、単位（％）によって表すこととする。
【００２７】
平均粒径の測定方法および条件は、下記の通りである。
すなわち、顕微鏡視野中の結晶粒数をカウントして、結晶粒１個の平面面積を算出し、ついで粒一個当たりの平均直径を算出する。単位面積当たりの結晶粒の数（Ｎ_Ａ）は次のようにして測定できる。
金属組織の顕微鏡写真において、ある円の面積Ａの中に含まれる結晶粒の数（Ｎ_Ｗ）と一部分が含まれる結晶粒の数（Ｎ_ｉ）とを数える。この場合、十分な数の結晶粒（３０個以上）が円の中に含まれていることが望ましい。この時の結晶粒の総和（Ｎ_Ｔ）は、
Ｎ_Ｔ＝Ｎ_Ｗ＋（１／２）Ｎ_ｉ
で与えられる。次いで、Ａ／Ｎ_Ｔで粒１個当たりの平均面積が算出される。この平均面積の直径が平均直径となる。
【００２８】
このようなタンタルスパッタターゲットは、バッキングプレートと接合一体化することができる。バッキングプレートとしては従来から用いられているもの、好ましくは銅、アルミニウムもしくはそれらの合金材、を本発明においても使用することができる。タンタルスパッタターゲットとバッキングプレートとの接合も従来から行われてきた方法、好ましくはソルダー結合および拡散接合、によって行うことができる。ソルダー接合の際の接合剤としては、インジウム系あるいは錫系の接合材を挙げることができる。
【００２９】
本発明によるタンタルスパッタターゲットの好ましい一具体例は、窒化タンタル膜からなるバリア膜を形成する際に用いられるものである。
【００３０】
このような本発明によるタンタルスパッタターゲットは、場所による膜厚のばらつきが極めて少ないバリア膜を製造することができる。
【００３１】
＜タンタルスパッタターゲットの製造＞
本発明によるタンタルスパッタターゲットは、Ｘ線回折により得られる強度比に関する上記要件が満たされるのであれば、任意の方法によって製造することができる。例えば、公知の高純度タンタルスパッタターゲットの製造の際に使用されていたＴａ_２Ｏ_５鉱石をアルカリ溶解法や分別結晶法、電子ビーム溶解法で得られたインゴットを、適当な塑性加工、加熱および冷却処理、並びに再結晶化処理に付すことによって製造することができる。
【００３２】
本発明のよるタンタルスパッタリングターゲットは、（１１０）／{（１１０）＋（２００）＋（２１１）＋（２２０）＋（３１０）}の強度比のスパッタ面でのばらつき、スパッタ面での平均結晶粒径、そのばらつき等に関し、所定の要件を満たすものが好ましいことは前記の通りである。したがって、タンタルスパッタリングターゲットの製造も、そのような所定の要件が充足されるように、塑性加工、加熱および冷却処理、再結晶化処理等の製造条件を適宜選択して行うのが好ましい。
【００３３】
例えば、塑性加工の途中で、少なくとも１回の真空熱処理を行い、次いで冷却処理を実施することによって製造することができる。塑性加工は、鍛造および圧延加工を採用することができる。塑性加工率は、１０〜９８％、特に３０〜９８％が適当である。上記の真空熱処理は、昇温速度が１０℃／分以上、特に１５℃／分以上のものであり、１０００〜１６００℃、特に１１００〜１４００℃の温度で、少なくとも１時間、特に３時間以上保持することからなるものが好ましい。冷却処理は、降温速度５０℃／分以上、特に１００℃／分以上のものが好ましい。再結晶化処理は、８００〜１４００℃、特に１０００〜１２００℃の温度で、１時間以上、特に１〜３時間行うのが好ましい。前記の再結晶化処理条件とすることにより、結晶粒の粗大化を防ぐことができる。
【００３４】
＜バリア膜＞
本発明は、さらに、上記のタンタルスパッタターゲットを形成されたバリア膜、具体的には、窒素雰囲気中で上記タンタルスパッタターゲットを用いて成膜された窒化タンタル膜からなるバリア膜、に関するものである。
【００３５】
このような本発明によるバリア膜は、場所による膜厚のばらつき５％以内というような均一性が極めて高いものである。よって、バリア膜の絶縁性、熱的安定性、強度等の特性も膜全面にわたって一様であって、これらが極端に低下した部分の発生が抑制されている。
【００３６】
ここで、バリア膜厚の「スパッタ表面での場所によるばらつき」は、表面にバリア膜を成膜したＳｉウエーハの、図１に示された１７点から採取された試験片についてバリア膜厚を、接触式段差計によって測定し、これらの１７の測定値のうちの最大値および最小値から
｛（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）｝ × １００
の式に基づいて求めた値を、単位（％）によって表すこととする。
【００３７】
上記の窒素雰囲気は、実質的に窒素ガスのみからなるものおよび窒素ガスを含む不活性ガスからなるものが代表的である。このような窒素ガス雰囲気中で行うスパッタ処理の方法およびその具体的条件は、合目的的な任意のものを採用することができる。
【００３８】
本発明では、所定のタンタルスパッタターゲットを使用することによって、均一性が極めて高いバリア膜を容易に得ることができることから、大型の基板に適用しても部留まりが極めて良好となる。また、スパッタ処理の条件等を厳格に制御する必要性が低くなっている。
【００３９】
＜電子部品＞
本発明による電子部品は、上記のバリア膜を具備することを特徴とするものである。本発明によるバリア膜の特性が顕著に認められるものとしては、Ｓｉウエーハ基板上に上記バリア膜が成膜され、このバリア膜上に銅配線が形成された構造からなるもの、特に高集積化された電子部品である。例えば、半導体装置、液晶表示装置、プラズマディスプレイ装置、磁気記録装置、磁気記憶装置、各種用途に使用することが可能である。
【００４０】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例について説明する。
＜実施例１＞
タンタルのＥＢインゴット(φ２５０×３０ｍｍ)を、φ１１５×１４０ｍｍまで冷間で締め鍛造を行った。その後、真空熱処理(１３００℃×２時間、昇温速度１５℃/min)をした後、水中に入れ、降温速度１００℃/minで急冷を行った。その後、φ２５０×３０ｍｍまで冷間ですえ込み鍛造した。ここで締め鍛造、すえ込み鍛造を組み合わせて２軸から塑性変形をさせた理由は、単軸方向に冷間鍛造・冷間圧延したときは、熱処理しても原料インゴットにあった粗大粒が残ってしまうためである。
【００４１】
上記のすえ込み鍛造後に再度真空熱処理(１２００℃×２時間、昇温速度２０℃/min)を行う。真空熱処理後、１回目の真空熱処理と同様に、水中に入れ急冷させる。急冷後、表１に示される条件で、冷間圧延し、再結晶化熱処理を行ったものをターゲット形状に機械加工した。アルミニウム製のバッキングプレートを拡散接合法によって接合して、本発明によるタンタルスパッタターゲットを製造した。
【００４２】
得られたスパッタターゲット中の、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎａ、Ｋ、Ｕ及びＴｈの各元素の含有量を測定した結果、それらの合計量は０．０１重量％以下であった。
このようにして製造したタンタルスパッタターゲットを用いて、スパッタ方式：基板・ターゲット距離＝３００ｍｍ、背圧：１×１０^−５Ｐａ、出力ＤＣ：１８ｋＷ、Ａｒ:５ｓｃｃｍ、Ｎ:２０ｓｃｃｍ、スパッタ時間：５ｍｉｎ、基板バイアス：−１００Ｖの条件下で８インチのＳｉウェーハに成膜を行った。
【００４３】
上記で得られたタンタルスパッタターゲットの結晶面の（１１０）／{（１１０）＋（２００）＋（２１１）＋（２２０）＋（３１０）}の強度比、そのばらつき、平均結晶粒径およびバリア膜の膜厚は、表１に示される通りであった。
【００４４】
＜比較例１＞
実施例１と同条件で、締め鍛造、すえ込み鍛造、真空熱処理を行った。真空熱処理後、急冷するのではなく、代わりに炉内で徐冷(降温速度１０℃/min)を行った。その後、表１に示される条件で、冷間圧延し、再結晶化熱処理を行ったものをターゲット形状に機械加工し、バッキングプレートを同様に接合した。
【００４５】
このタンタルスパッタターゲットを用いた以外は実施例１と同様にして、バリア膜の成膜した。実施例１と同様に、タンタルスパッタターゲットの結晶面の（１１０）／{（１１０）＋（２００）＋（２１１）＋（２２０）＋（３１０）}の強度比、そのばらつき、平均結晶粒径およびバリア膜の膜厚を測定した。得られた結果は、表１に示される通りである。
【００４６】
【表１】

【００４７】
【発明の効果】
以上から明らかなように、本発明のタンタルスパッタターゲットは、従来達成することができなかった膜厚均一性が高い窒化タンタルのバリア膜を得ることができる。このような本発明によるタンタルスパッターターゲット、これを用いて成膜したバリア膜および電子部品によれば、製品歩留まりを大幅に向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】タンタルスパッタターゲットの強度比ばらつき及び平均粒径ばらつき、並びにバリア膜の膜厚ばらつきを測定した試験片の採取箇所を示す図

Claims

スパッタされる面のＸ線回折により求められた結晶面の（１１０）／{（１１０）＋（２００）＋（２１１）＋（２２０）＋（３１０）}の強度比の、スパッタ表面部分の場所によるばらつきが２０％以内であることを特徴とする、タンタルスパッタターゲット。
上記の（１１０）／{（１１０）＋（２００）＋（２１１）＋（２２０）＋（３１０）}の強度比が０．４以上０．６以下であることを特徴とする、請求項１に記載のタンタルスパッタターゲット。
スパッタされる面の平均結晶粒径が３００μｍ以下であり、かつ平均結晶粒径のスパッタ表面の場所によるばらつきが２０％以内であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のタンタルスパッタターゲット。
鉄、ニッケル、クロム、銅、アルミニウム、ナトリウム、カリウム、ウランおよびトリウムの含有量の合計が０．０１重量％以下である高純度タンタルからなることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のタンタルスパッタターゲット。
銅もしくはアルミニウムもしくはそれらの合金材のバッキングプレートと接合一体化されてなることを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のタンタルスパッタターゲット。
タンタルスパッタターゲットは、窒化タンタル膜からなるバリア膜を形成する際に用いられるものであることを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載にタンタルスパッタターゲット。