JP4836359B2

JP4836359B2 - スパッタターゲット、ゲート絶縁膜および電子部品

Info

Publication number: JP4836359B2
Application number: JP2001195941A
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: 2001-06-28
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2021-06-28
Also published as: JP2003017491A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハフニウム、ジルコニウムまたはそれらの合金からなるスパッタターゲット、それによって成膜されたゲート絶縁膜およびこのゲート絶縁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。このように金属配線の幅が０．１３μｍ以下にまでになると、ゲート絶縁膜の厚さもＳｉＯ_２換算膜厚で２〜３ｎｍに薄膜化する必要がある。
【０００３】
ところが、ゲート絶縁膜をここまで薄膜化すると、リーク電流が増加したり、多結晶Ｓｉゲート電極に添加した硼素が基板に突き抜けてしまうことがあって、トランジスタ特性を劣化させたり、信頼性を十分確保できないという問題がある。
【０００４】
このゲート絶縁膜の薄膜化の限界を打破するため、高誘電率ゲート絶縁膜(ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２)の開発が進められている。この方法によれば、ゲート絶縁膜へＨｆＯ_２やＺｒＯ_２を導入することにより一層の薄膜化（ＳｉＯ_２換算で膜厚１．１３ｎｍ）が期待できる。ＨｆＯ_２の比誘電率は３０であり、ＺｒＯ_２での比誘電率は２５と高いことから、この方法では絶縁膜中の酸素が抜けてケイ素を酸化してゲート絶縁膜が厚くなってしまう問題が起きにくくなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のハフニウムまたはジルコニウムスパッタターゲットを用いて、反応性スパッタによって得られた酸化膜、即ち酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）または酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）膜は、膜厚の均一性が良好でないという問題点があった。直径８インチのＳｉウェーハでも膜厚均一性を５％以下に制御することが困難であった。今後、１２インチサイズのＳｉウェーハになってくると均一性がより良好であることが必要となってくる。
【０００６】
絶縁膜の膜厚が不均一である場合には絶縁性の低下が避けられないので、絶縁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、歩留まりの向上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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、スパッタターゲットのスパッタされる面の平均結晶粒径およびそのばらつき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。
【０００８】
したがって、請求項１の本発明によるスパッタターゲットは、ハフニウム、ジルコニウムまたはそれらの合金からからなるスパッタターゲットであって、そのスパッタされる面の平均結晶粒径が５００μｍ以下でありかつ平均結晶粒径のばらつきが２０％以内であること、を特徴とするものである。
【０００９】
請求項２の本発明によるスパッタターゲットは、酸素、窒素、炭素、硫黄および水素の含有量の合計が８００ｐｐｍ以下であることを特徴とする、請求項１のスパッタターゲットである。
【００１０】
請求項３の本発明による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複合一体化されてなることを特徴とする、請求項１または請求項２のスパッタターゲットである。
【００１１】
請求項４の本発明によるゲート絶縁膜は、酸素ガス雰囲気中で、請求項１乃至請求項３のいずれかのスパッタターゲットを用いて成膜された酸化ハフニウム膜あるいは酸化ジルコニウム膜からなること、を特徴とするものである。
【００１２】
請求項５の本発明によるゲート絶縁膜は、ゲート絶縁膜の場所による厚さのばらつきが５％以内であること、を特徴とする請求項４のゲート絶縁膜である。
【００１３】
請求項６の本発明による電子部品は、請求項１乃至請求項３のいずれかのスパッタターゲットを用いて形成されてなる膜を有すること、を特徴とするものである。
【００１４】
請求項７の本発明による電子部品は、請求項４または請求項５のゲート絶縁膜を具備すること、を特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
＜スパッタターゲット＞
本発明によるスパッタターゲットは、ハフニウム、ジルコニウムまたはそれらの合金からなるスパッタターゲットであって、そのスパッタされる面の平均結晶粒径が５００μｍ以下でありかつ平均結晶粒径のばらつきが２０％以内であること、を特徴とするものである。
【００１６】
上記の平均結晶粒径が５００μｍ超過であると、膜厚均一性が低下することから、本発明の目的を達成することが困難になる。本発明では、上記平均結晶粒径が３００μｍ以下、さらには１００μｍ以下であるものが好ましい。
【００１７】
上記の平均結晶粒径のスパッタされる面の場所によるばらつきは２０％以内、好ましくは１０％以内、さらに好ましくは５％以内である。このような、ばらつきが少ないスパッタターゲットを使用することによって、より均一性が高いゲート絶縁膜を容易に得ることができる。
【００１８】
なお、本発明において、上記「平均結晶粒径」およびその「スパッタされる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、円盤状のスパッタ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平均結晶粒径を測定する。測定は１０回以上行い、その平均値をもとに上記の平均結晶粒径を求める。採取された１７個の各試験片について、それぞれ上記の平均結晶粒径の値を求める。
【００１９】
平均結晶粒径は、上記各試料の顕微鏡視野中の結晶粒数をカウントして、結晶粒一個の平面面積を算出し、ついで粒一個当りの平均直径を算出する。単位面積当りの結晶粒の数（Ｎ_Ａ）は次のようにして測定できる。
【００２０】
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（Ｎ_Ｗ）と一部分が含まれる結晶粒（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個当りの平均面積が算出される。この平均面積の直径が平均結晶粒径となる。
【００２１】
本発明での平均結晶粒径の「スパッタされる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の試験片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（％）により表すものとする。
【００２２】
本発明によるスパッタターゲットは、高純度のハフニウムまたはジルコニウム、特に酸素、窒素、炭素、硫黄および水素の含有量の合計が８００ｐｐｍ以下である高純度のハフニウムまたはジルコニウムからなるものが好ましい。
【００２３】
このように、スパッタターゲット中の上記不純物（即ち、酸素、窒素、炭素、硫黄および水素）の含有量の合計量が８００ｐｐｍ以下に低減すると、成膜されたゲート絶縁膜の膜厚のばらつき（均一性）を４％以下に抑えられることが判明した。そして、スパッタターゲットの上記不純物の合計量を８００ｐｐｍ以下に低減することは、ゲート絶縁膜のリーク電流をさらに少なくして、絶縁性をより向上させることに有効であることが判明した。
【００２４】
ここで、スパッタターゲット中の不純物の合計量を８００ｐｐｍ以下にすると成膜されたゲート絶縁膜の絶縁性が向上する理由は、不純物である酸素、窒素、硫黄あるいは水素原子がハフニウムやジルコニウム原子と容易に化合物をつくってしまい、この化合物が介在物として粒界に析出して粒界をもろくしてしまい、リーク電流が増加、即ち絶縁性が低下、するためであると考えられる。
【００２５】
本発明のスパッタターゲットは、不純物元素としての鉄（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）の合計の含有量が１００ｐｐｍ以下である高純度ハフニウムまたはジルコニウムで構成することが好ましい。言い換えると、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎａ、Ｋ、Ｕ、Ｔｈの各含有量（質量％）の合計量を１００％から引いた値［１００−（Ｆｅ＋Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｃｕ＋Ａｌ＋Ｎａ＋Ｋ＋Ｕ＋Ｔｈ）］が９９．９９％以上の高純度ジルコニウムまたはハフニウムを用いることが好ましい。
【００２６】
本発明による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。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。
【００２７】
＜スパッタターゲットの製造＞
本発明によるスパッタターゲットは、そのスパッタされる面の平均結晶粒径およびそのばらつき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、公知のスパッタターゲットの製造の際に使用されていたインゴットを、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。
【００２８】
例えば、インゴット作製後、液体窒素等を用いて、極冷間（−５０℃〜−１５０℃）で塑性加工を行う。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３０〜９０％が適当である。その後、再結晶処理を行う。再結晶化処理は、３００〜８００℃、特に４００〜６００℃の温度で、１時間以上、特に３時間以上、行うのが好ましい。
【００２９】
＜ゲート絶縁膜＞
本発明は、さらに、上記のスパッタターゲットを用いて形成されたゲート絶縁膜、具体的には、酸素雰囲気中で上記スパッタターゲットを用いて成膜された酸化膜からなるゲート絶縁膜、に関するものである。
【００３０】
このような本発明によるゲート絶縁膜は、場所による膜厚のばらつきが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、ゲート絶縁膜の絶縁性、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。
【００３１】
ここで、ゲート絶縁膜の「場所による厚さのばらつき」は、表面にゲート絶縁膜が成膜された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絶縁膜厚を、接触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。
【００３２】
上記の酸素雰囲気は、実質的に酸素ガスのみからなるものおよび酸素ガスを含む不活性ガスからなるものが代表的である。このような酸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。
【００３３】
本発明では、所定の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ゲート絶縁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。
【００３４】
＜電子部品＞
本発明による電子部品は、本発明のスパッタターゲットを用いて形成された膜を具備するものであり、特に上記のゲート絶縁膜を具備することを特徴とするものである。本発明によるゲート絶縁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ゲート絶縁膜が成膜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、液晶表示装置等、各種用途に使用することができる。
【００３５】
【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＞
アイオダイドハフニウムを原料にし、ハフニウムの電子ビーム溶解（以下、ＥＢ溶解と記す）インゴット(φ２５０×３０ｍｍ)を作製した。このＥＢ溶解インゴットを液体窒素中で冷却し、加工率(６０％)で、極冷間圧延を行った。その後、５００℃で２時間の再結晶化熱処理を行って、ターゲット形状に機械加工した。
【００３６】
Ａｌ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、本発明による実施例１−１のスパッタターゲットを製造した。
【００３７】
このようにして製造したスパッタターゲットを用いて、さらに同様方法でＥＢ溶解条件、極低温圧延条件および再結晶化処理条件を適宜変更することにより実施例１−２、１−３、１−４のスパッタターゲットを製造した。８インチのＳｉウェーハ上に成膜を行った。
【００３８】
上記で得られたスパッタターゲットの平均結晶粒径、粒径ばらつき、不純物含量、膜厚ばらつきおよびリーク電流密度は、表１に示される通りであった。
各元素の含有量はＩＣＰ−ＭＡＳＳによって測定し、リーク電流密度を測定した。
なお、各ターゲットの不純物量（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎａ、Ｋ、Ｕ、Ｔｈの合計量）は１０ｐｐｍ以下であった。
【００３９】
表１から明らかなように、高純度ハフニウムからなる本発明によるスパッタターゲットは、膜厚のばらつきが低くかつ絶縁性が良好な膜を成膜することができる。
【００４０】
＜実施例２＞
市販されているハフニウムを原料にし、ハフニウムのＥＢ溶解インゴット(φ２５０×３０ｍｍ)を作製した。その後、実施例と同様の方法により、実施例２−１のスパッタターゲットを製造した。
【００４１】
さらに、同様方法でＥＢ溶解条件、極低温圧延条件および再結晶化処理条件を適宜変更することにより実施例２−２、２−３、２−４のスパッタターゲットを製造した。
これらのスパッタターゲットを用いた以外は実施例１と同様にして成膜を行った。実施例１と同様に、スパッタターゲットの平均結晶粒径、そのばらつき、不純物含量、膜厚ばらつきおよびリーク電流密度を測定した。結果は、表１に示される通りである。
なお、各ターゲットの不純物量（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎａ、Ｋ、Ｕ、Ｔｈの合計量）は１０ｐｐｍ以下であった。
【００４２】
表１から明らかなように、実施例２の本発明によるスパッタターゲットから成膜された膜は、膜厚のばらつきが低くかつ絶縁性が良好なものである。ただし、不純物含量が少ない実施例１に比べれば、膜厚のばらつきおよび絶縁性は若干劣る。
【００４３】
＜比較例１＞
実施例１と同条件で、インゴット作製後、液体窒素を用いて極冷間圧延するのではなく、冷間圧延(加工率６０％)を行った。その後、５００℃で２時間の再結晶化熱処理を行って、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、比較例１−１のスパッタターゲットを製造した。
【００４４】
さらに、同様方法でＥＢ溶解条件、冷間圧延条件および再結晶化処理条件を適宜変更することにより比較例１−２、１−３、１−５、１−６のスパッタターゲットを製造した。
これらのスパッタターゲットを用いた以外は実施例１と同様にして成膜を行った。実施例１と同様に、スパッタターゲットの平均結晶粒径、粒径ばらつき、不純物含量、膜厚ばらつきおよびリーク電流密度を測定した。結果は、表１に示される通りである。
【００４５】
表１から明らかなように、スパッタターゲットが所定の平均結晶粒径、粒径ばらつきのものでない場合、膜厚ばらつきが５％以下の膜を得ることはできなかった。また、絶縁性も低かった。
【００４６】
＜比較例２＞
市販されているハフニウムを原料にし、ハフニウムのＥＢ溶解インゴット(φ２５０×３０ｍｍ)を作製した。その後、比較例１と同様の方法により、比較例２−１のスパッタターゲットを製造した。
【００４７】
さらに、同様方法でＥＢ溶解条件、冷間圧延条件および再結晶化処理条件を適宜変更することにより比較例２−２、２−３のスパッタターゲットを製造した。
【００４８】
この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。
このスパッタターゲットを用いた以外は実施例１と同様にして成膜を行った。
実施例１と同様に、スパッタターゲットの平均結晶粒径、粒径ばらつき、不純物含量、膜厚ばらつきおよびリーク電流密度を測定した。結果は、表１に示される通りである。
【００４９】
表１から明らかなように、スパッタターゲットが所定に平均結晶粒径、粒径ばらつきのものでない場合、膜厚ばらつきが５％以下の膜を得ることはできなかった。また、絶縁性も低かった。
【００５０】
【表１】

【００５１】
【発明の効果】
以上から明らかなように、本発明の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および絶縁性が高い酸化ハフニウムあるいは酸化ジルコニウムのゲート絶縁膜を得ることができる。
【００５２】
このような本発明によるスパッタターゲットを用いて成膜したゲート絶縁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】スパッタターゲットの平均結晶粒径、粒径ばらつき並びにゲート絶縁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

ハフニウム、ジルコニウムまたはそれらの合金からなるスパッタターゲットであって、そのスパッタされる面の平均結晶粒径が５００μｍ以下であり、平均結晶粒径のばらつきが２０％以内であり、かつ酸素、窒素、炭素、硫黄および水素の含有量の合計が８００ｐｐｍ以下であることを特徴とする、スパッタターゲット。
前記のスパッタターゲットが、不純物元素としての鉄（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）の合計の含有量が１００ｐｐｍ以下のものである、請求項１に記載のスパッタターゲット。
前記のスパッタターゲットが、電子ビーム溶解インゴットを、−５０℃〜−１５０℃の極冷間で、１０〜９８％の塑性加工率で塑性加工を行い、その後、３００〜８００℃の温度で、１時間以上の再結晶化熱処理に付して得られたものである、請求項１または２に記載の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複合一体化されてなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のスパッタターゲット。
酸素ガス雰囲気中で、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のスパッタターゲットを用いて成膜された酸化ハフニウム膜あるいは酸化ジルコニウム膜からなるゲート絶縁膜であって、このゲート絶縁膜の場所による厚さのばらつきが５％以内であることを特徴とする、ゲート絶縁膜。
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のスパッタターゲットを用いて形成されてなる膜を有することを特徴とする、電子部品。
請求項５に記載のゲート絶縁膜を具備することを特徴とする、電子部品。