JP4833515B2 - 集合組織結晶粒を有する粉末冶金タンタル・スパッタリング・ターゲット - Google Patents

Description

本発明は、タンタルのスパッタリング・ターゲットの分野に関し、とりわけ、粉末冶金によるタンタルのスパッタリング・ターゲットに係るものである。

鋳造や加工熱処理により製造された従来のタンタル・スパッタリング・ターゲットには、ターゲット面を横切ってターゲット断面を貫通する、（２００）と（２２２）との結晶方位の交互の縞が現れる。例えば、ターゲット面には、しばしば、より明るい陰影の結晶粒が（２００）方位の近くに、より暗い陰影の結晶粒が（２２２）方位の近くに交互に現れる。あいにく、（２００）の集合組織の縞は、（２２２）集合組織の縞よりスパッタ率が低く、その結果、厚さの異なるタンタル膜が基板に生じる。例えば４９点についての試験の場合、スパッタリングによるタンタル膜の面積抵抗の均一性は、通常、１シグマ（すなわち、１標準偏差）が２〜３パーセントの範囲である。これらの不均一なタンタル膜のため、製造者は、往々にしてスパッタリング厚を増して薄い領域をなくそうとする。さらに、タンタル厚が不均一な結果、要求の厳しい用途には、スパッタリング・タンタル膜を使用することが不可能になることがしばしばある。

過去において、製造者は、結晶粒成長技術を使用し、結晶粒方位を調整した。例えば、ダン（Ｄｕｎｎ）他は、米国特許第３３３５０３７号において、タンタル箔製造のための圧延／結晶粒再結晶法を開示している。この方法は、（１１０）方位を最大化したタンタル箔を作るものである。この製品の厚さと結晶方位は、どちらもスパッタリング・ターゲットの製造には受け入れられるものではない。

ザン（Ｚｈａｎｇ）は、米国特許第６１９３８２１号において、純粋なタンタル・ビレットをスパッタリング・ターゲットに変形させる加工熱処理を開示している。この加工では、まず側鍛造又は側圧延が行われ、次いで据込み鍛造又は据込み圧延が行われる。この加工処理によって、主として（２２２）集合組織と２５μｍ未満の結晶粒度とを有するスパッタリング・ターゲットが得られる。この加工では、鋳造タンタル・ターゲットにより形成されるターゲットに伴うすべての縞形成効果が除去されるとは思えず、また、スパッタリング・ターゲット面に対し直角方向に集合組織を整合できるとは思えない。

別の加工熱処理では、ミチャルク（Ｍｉｃｈａｌｕｋ）他が、特許刊行物ＷＯ ００／３１３１０号において、タンタル・スパッタリング・ターゲットを鋳造し加工する処理を開示している。この加工処理では、ターゲットに対し直角方向に主として（２２２）集合組織を有し、ブランクの全厚にわたり（２００）−（２２２）集合組織による縞を最小としたタンタル・ブランクが製造されるようである。（本明細書では、結晶方位の言及は従来のものを用いる。すなわち、体心立方（ｂｂｃ）格子の場合、ゼロでない反射強度を得るには、ｈ＋ｋ＋ｌが偶数にならなければならず、ｈ＋ｋ＋ｌが奇数の場合には、ｂｃｃ格子の消滅則が生じる。例えば、明細書は、他の従来文献の言及している（１１１）方向及び（１００）方向を、（２２２）方向及び（２００）方向として言及する）。

だが、あいにく、（２２２）方向及び（２００）方向のみの制御では、極めて厳しいスパッタリング用途に要求される不可欠な結晶粒方位又は制御は得られない。

スパッタリング・ターゲットは、タンタル粉末の焼結により形成されたタンタル結晶粒とスパッタリング面とを有するタンタル体を含んでいる。スパッタリング面は、基板を被覆するために、スパッタリング面からタンタル原子を移動させる原子移動方向を有している。タンタル結晶粒は、スパッタリングの均一性を増すため、スパッタリング面から原子が飛び出す原子移動方向に少なくとも４０パーセントの（２２２）方向方位比と、１５パーセント未満の（１１０）方向方位比とを有している。

（２２２）方向の方位比を最大化し、（１１０）方向の方位比を最小化するように製作された集合組織結晶粒粉末冶金タンタル・ターゲットは、従来の鍛錬タンタル・ターゲットに比較して面積抵抗の均一性について有意な改善を示す。本明細書において、方位比は、全結晶粒に対する特定結晶粒方位の相対的割合（パーセントで表す）と定義される。例えば、結晶粒方位は、Ｘ線ピーク強度の測定値を「粉末回折標準合同委員会（ＪＣＰＤＳ）カード」に記載されたピーク相対強度で除すことで算出される。この比は、次に１００パーセントを乗じられ、正規化される。すなわちピーク強度と対応相対強度による全結晶粒方位比の合計により除せられる。

図１および図２を見ると、通常のターゲット１０が、タンタル体１２と支持板１４とを含んでいる。製造費を安価にし、かつターゲットの機械的な統合性を改善するために、支持板１４は、銅、銅合金、またはアルミニウム合金で構成することが好ましい。タンタル体１２は、スパッタリング面１６を有している。スパッタリング面は、基板を被覆するためにスパッタリング面１６からタンタル原子の飛び出す移動方向Ｄを有している。このターゲットでは、原子移動方向Ｄが、集合組織化された結晶粒の基準方向として利用される。原子移動方向Ｄは、スパッタリング面１６に対して直角であることが極めて好ましい。

集合組織結晶粒粉末冶金タンタル・ターゲットは、（２２２）方向の結晶粒が原子移動方向に整合することが好ましい。（２２２）方向は、ｂｃｃ結晶構造の場合の最密充填方向である。該ターゲットは、スパッタリングの均一性改善のために、少なくとも約４０パーセントの（２２２）方向方位比を含んでいる。更にスパッタリング性能を改善するには、ターゲットが、少なくとも約４５パーセントの（２２２）方向方位比を含むことが好ましい。だが、効果的なスパッタリングを容易にするには、ターゲットが、少なくとも約５０パーセントの（２２２）方向方位比を含むことが最も好ましい。タンタル・スパッタリング実験では、（２２２）方向結晶粒の原子移動方向への整合が増すにつれて、スパッタリング性能が高まることが示されている。しかし、（２２２）方向を最大化するだけでは、特に高いスパッタリング均一性を備えたターゲットを得るには不十分である。

スパッタリング・ターゲットについては、原子移動方向に（２２２）方向の整合する結晶粒を最も多くすることに加えて、原子移動方向に（１１０）方向の整合する結晶粒を最も少なくすることも必要である。例えば、（２２２）方向方位比が相対的に大きく、かつ約２５パーセントの（１１０）方向方位比を有する粉末冶金ターゲットでは、スパッタリング性能は、従来の鍛錬ターゲットと変わらない。原子移動方向への（１１０）方向方位比を約１５パーセント未満に維持することが、とりわけ優れたスパッタリング成果を得る上での臨界となる。更にスパッタリングの均一性を最良にするには、ターゲットが、原子移動方向に約１０パーセント未満の（１１０）方向方位比を有することが好ましい。更にスパッタリング均一性を最良にするために最も好ましいことは、ターゲットが、原子移動方向に約５パーセント未満の（１１０）方向方位比を含むことである。更に、タンタル粉末の焼結とその後の処理とを注意深く制御することにより、原子移動方向に約３パーセント未満の（１１０）方向方位比を維持することができる。

（２２２）方向及び（１１０）方向と異なり、（２００）、（２１１）、（３１０）方向は、スパッタリング性能に対し極く僅かの影響しか及ぼさない。ターゲットは、スパッタリングの均一性を維持するために、原子移動方向に整合する（２００）、（２１１）、（３１０）方向の各方位比を約３０パーセント未満に維持することが好ましい。スパッタリングの均一性を維持するために最も好ましいのは、原子移動方向に整合する（２００）、（２１１）、（３１０）方向の各方位比を約２５パーセント未満に維持することである。

タンタル体を焼結粉末により形成することによって、鍛錬スパッタリング・ターゲットに伴ってしばしば見られる（２００）−（２２２）縞が除去される。縞の除去によって、更にスパッタリング膜の均一性が増す。さらに、該ターゲットは、任意に約１．５未満の結晶粒アスペクト比（縦横比）を有している。本明細書において、アスペクト比は、厚さ方向で測定した結晶粒長さを、スパッタリング面の平面と平行方向で測定した結晶粒長さで除した値である。アスペクト比は、約１．３未満が最も好ましい。

実験例１
次表は、直径１０ｃｍ（４″）のＭＲＣによって製作された６０３バッチ式スパッタリング装置で行われた予備実験を要約したものである。この装置でのスパッタリング試験は、最大１５ｋＷｈの６４０ｗの電力、１０００Åの膜厚に対応する１６ｃｍ／ｍｉｎのウェーハ走査速度、１０ｍＴｏｒｒのチャンバ圧、５．１ｃｍ（２．０インチ）のターゲット／ウェーハ間隔で行われた。面積抵抗は、６ｍｍの縁部を除いて７ｍｍ直径の酸化ケイ素ウェーハの９点で測定した。

本明細書の目的の場合、文字で示したターゲットは比較例を表し、数字で示したターゲットは、本発明のターゲットを表している。スパッタリング条件は最適化されなかったが、すべての実験は同一条件下で行われ、したがって、鋳造および加工熱処理された基準ターゲット（ターゲットＡ）と、種々の粉末冶金ターゲット（ターゲットＢ〜Ｇ及び１）との比較が可能である。実験例に含まれる方位比は、前記のように、Ｘ線ピーク強度から計算される。

ターゲット１では、（２２２）方向の方位比が大きい値を有し、（１１０）方向の方位比が低い値を有しており、最適のスパッタリング及び微細構造特性を示している。このターゲットの製造パラメータは、この場合、エクリプス・スパッタリング装置での３０ｃｍ（１２″）ＲＭＸ−１２ターゲットの実寸試験用の製造パラメータが選択された。

実験例２
粉末冶金ＲＭＸ−１２スパッタリング・ターゲットは、４０〜５０マイクロメートルの平均結晶粒度及び大きな（２２２）方向結晶方位比を有している。

エクリプス装置でのスパッタリング試験は、最大５０ｋＷｈの１０ｋＷの電力、被着時間６０秒、アルゴン流量１００ｓｃｃｍ、チャンバ圧１５ｍＴｏｒｒ、ウェーハ温度１５０°Ｃ、ターゲット／ウェーハ間隔６．４ｃｍ（２．５インチ）で行った。面積抵抗は、６ｍｍの縁部を除き直径１５０ｍｍの酸化ケイ素の４９点で測定した。

表２は、鋳造および加工熱処理により製造された従来のターゲット（ターゲットＧ）と、鍛造（ターゲット２）及び非鍛造（ターゲット３）の２つの粉末冶金ターゲットとの結晶粒方位データを示したものである。

表２は、集合組織結晶粒粉末冶金ターゲットで得られた（１１０）方向方位比と（２２２）方向方位比との劇的な相違を示している。更に、集合組織結晶粒粉末冶金ターゲットは、鋳造および加工された製品にしばしば伴う有害な（２００）−（２２２）縞が形成されていない。これらのターゲットには、５０体積パーセントのフッ化水素と５０体積パーセントの過酸化水素との溶液でマクロエッチングした後に、拡大なしに視認できる（２００）−（２２２）縞は形成されなかった。更に、マクロエッチングされたターゲットは、電子後方散乱回折（ＥＢＳＤ）により検出可能な（２００）−（２２２）縞を含まなかった（ＥＢＳＤでは、全厚にわたるターゲット結晶粒方位が検出される）。

表３は、表２のターゲットについて１シグマ（標準偏差）の面積抵抗の均一性のデータをまとめたものである。

粉末冶金スパッタリング・ターゲット３は、理論密度に近い密度に粉末を焼結してから、圧延、焼鈍、支持板への鑞付け、および機械加工を行って製造された。ターゲット２は、ターゲット３の圧延段階前に任意の鍛造段階を加えたが、スパッタリング膜の面積抵抗の均一性、又はスパッタリングされたターゲット面の外見への有意な影響は見られなかった。集合組織化されたスパッタリング・ターゲット２及び３は、それぞれ、ＲＭＸ型マグネットを使用した回転マグネトロン・スパッタリング・チャンバで、１シグマ（標準偏差）が最大値約１．５パーセント未満の面積抵抗の均一性をもって基板を被覆した。

理論密度に近い密度に粉末を焼結した後、圧延と焼鈍を施して製造されたタンタル・ターゲットは、交互の集合組織縞を示さず、面積抵抗の均一性が有意に改善される。本発明は、ターゲット・ブランクの製造例を示す一方、ターゲット・ブランクが異なる方法で製造された場合にも、同じような効率で使用できる点が注目に値する。ブランク製造方法は、圧延、鍛造、プレス、およびこれらの組合わせを含むが、これらに限定はされない。

表２及び表３に示したように、（１１０）及び（２２２）結晶方位を注意深く制御することにより、スパッタリングの結果が改善される。とりわけ、高い（２２２）結晶方位と組み合わされた低い（１１０）結晶方位を有し、（２２２）と（２００）との交番の集合組織縞の無い集合組織結晶粒粉末冶金スパッタリング・ターゲットは、従来の鍛錬ターゲットに比較してスパッタリング性能が改善される。例えば、該ターゲットでは、スパッタリング膜の面積抵抗の均一性は、１シグマ（標準偏差）が２．７パーセントを超える値から１．１〜１．５パーセントへ引き下げられる。

多くの実施例が、本発明の枠を逸脱することなしに可能であり、したがって本明細書に示されたすべては、説明目的のもので制限目的にものではない。

集合組織結晶粒粉末冶金タンタル・スパッタリング・ターゲットの略示平面図。 図１の２−２線に沿って切断したスパッタリング・ターゲットの略示断面図。

Claims (8)

1. タンタルのスパッタリング・ターゲット（１０）において、
   前記スパッタリング・ターゲットが、タンタル粉末を焼結して形成されたタンタル結晶粒を有するタンタル体（１２）を含み、
   前記タンタル体（１２）がスパッタリング面（１６）を有し、
   前記スパッタリング面（１６）が、前記スパッタリング面（１６）に対し直角な原子移動方向（Ｄ）を有しており、
   前記タンタル結晶粒が、スパッタリングの均一性を増すために、前記スパッタリング面（１６）からの原子移動方向（Ｄ）に、少なくとも４０パーセントの（２２２）方向方位比と１５パーセント未満の（１１０）方向方位比とを有し、
   前記タンタル体に、電子後方散乱回折により検出可能な（２００）方向−（２２２）方向の縞が無い、タンタルのスパッタリング・ターゲット。
2. 前記結晶粒が、前記原子移動方向（Ｄ）に、少なくとも４５パーセントの（２２２）方向方位比と１０パーセント未満の（１１０）方向方位比とを有する請求項１に記載されたタンタルのスパッタリング・ターゲット。
3. 前記結晶粒が、３０パーセント未満の（２００）方向方位比と、３０パーセント未満の（２１１）方向方位比と、３０パーセント未満の（３１０）方向方位比とを有する請求項１に記載されたタンタルのスパッタリング・ターゲット。
4. タンタルのスパッタリング・ターゲットにおいて、
   前記スパッタリング・ターゲット（１０）が、タンタル粉末を焼結して形成されたタンタル結晶粒を有するタンタル体（１２）を含み、
   前記タンタル体（１２）がスパッタリング面（１６）を有し、
   前記スパッタリング面（１６）が、前記スパッタリング面（１６）に対し直角な原子移動方向（Ｄ）を有しており、
   前記タンタル結晶粒が、スパッタリングの均一性を増すために、前記スパッタリング面（１６）からの原子移動方向（Ｄ）に、少なくとも４５パーセントの（２２２）方向方位比と、３０パーセント未満の（２００）方向方位比と、３０パーセント未満の（２１１）方向方位比と、３０パーセント未満の（３１０）方向方位比と、１０パーセント未満の（１１０）方向方位比とを有し、
   前記タンタル体に、電子後方散乱回折により検出可能な（２００）方向−（２２２）方向の縞が無い、タンタルのスパッタリング・ターゲット。
5. 前記結晶粒が、前記原子移動方向（Ｄ）に、少なくとも５０パーセントの（２２２）方向方位比と、５パーセントの（１１０）方向方位比とを有する請求項４に記載されたタンタルのスパッタリング・ターゲット。
6. 前記結晶粒が、２５パーセント未満の（２００）方向方位比と、２５パーセント未満の（２１１）方向方位比と、２５パーセント未満の（３１０）方向方位比とを有する請求項４に記載されたタンタルのスパッタリング・ターゲット。
7. タンタルのスパッタリング・ターゲットにおいて、
   前記スパッタリング・ターゲット（１０）が、タンタル粉末を焼結して形成されたタンタル結晶粒を有するタンタル体（１２）を含み、
   前記タンタル体（１２）がスパッタリング面（１６）を有し、
   前記スパッタリング面（１６）が、前記スパッタリング面（１６）に対し直角な原子移動方向（Ｄ）を有しており、
   前記タンタル結晶粒が、スパッタリングの均一性を増すために、前記スパッタリング面（１６）からの原子移動方向（Ｄ）に、少なくとも５０パーセントの（２２２）方向方位比と、２５パーセント未満の（２００）方向方位比と、２５パーセント未満の（２１１）方向方位比と、２５パーセント未満の（３１０）方向方位比と、５パーセント未満の（１１０）方向方位比とを有しており、
   前記タンタル体（１２）に、電子後方散乱回折により検出可能な（２００）方向−（２２２）方向の縞が無い、タンタルのスパッタリング・ターゲット。
8. 前記スパッタリング・ターゲット（１０）が、ＲＭＸ型磁石を使用した回転マグネトロン・スパッタリング・チャンバで、１シグマが最大１．５パーセントの面積抵抗の均一性にて基板を被覆する請求項７に記載されたタンタルのスパッタリング・ターゲット。

Images