JPH06128737A

JPH06128737A - スパッタリングターゲット

Info

Publication number: JPH06128737A
Application number: JP30620092A
Authority: JP
Inventors: Tadao Ueda; 忠雄上田; Hiroshi Tamai; 宏玉井; Kazunari Takemura; 一成竹村
Original assignee: Mitsubishi Kasei Corp
Current assignee: Mitsubishi Kasei Corp
Priority date: 1992-10-20
Filing date: 1992-10-20
Publication date: 1994-05-10

Abstract

(57)【要約】【目的】スパッタリングターゲットに関し、高い成膜
速度及び良好なステップカバレッジを有する配線膜の形
成を目的とする。【構成】アルミニウム又はその合金からなるスパッタ
リングターゲットについて、そのスパッタ面においてＸ
線回折法で測定された（１１１）結晶方位含有率を２０
％以上として、スパッタリングの際に生ずるスパッタ面
と垂直方向の速度成分を有するターゲット物質の比率を
高めることで、ＬＳＩ等の配線膜の形成の際に高い成膜
速度及び良好なステップカバレッジの薄膜を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スパッタリングターゲ
ットに関する。詳しくは、本発明は、スパッタリング法
によってアルミニウム又はアルミニウム合金の薄膜を形
成させる際に使用されるアルミニウムスパッタリングタ
ーゲットに関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ等の半導体装置では、素子相互間
並びに素子と外部との間のアルミニウム配線は、まずス
パッタリング法により１μm厚み程度の一様な薄膜とし
て形成された後、リソグラフィーによって微細な配線パ
ターンに形成される。スパッタリング法においては、目
的とする配線組成に従いターゲットの材料組成が選択さ
れる。

【０００３】アルミニウム合金からなるスパッタリング
ターゲットでは、一般にアルミニウム配線の機械的特性
等の向上のために、少量の溶質元素が添加されている。
即ち、溶媒を成すアルミニウム中には、例えば、０．０
１〜３重量％のＳi元素、或いは、０．０１〜３重量％
のＳi元素の他に０．０１〜３重量％のＣu、Ｔi、Ｐd、
Ｚr、Ｈf、及びＹ、Ｓcを含む希土類元素から成る元素
の１種又は２種以上が、このアルミニウム合金の溶質元
素として含まれている。

【０００４】スパッタリングに際しては、スパッタリン
グターゲットを負電位に、薄膜を形成すべき基板を正電
位に夫々維持して、Ａｒ等のスパッタガスを導入した真
空槽内に双方を対向させて配置する。ターゲット及び基
板の間の電界によりグロー放電が生じ、スパッタガスは
この放電によりイオン化される。生じたイオンは、電界
により加速されてターゲットのスパッタ面に照射され、
スパッタ面からターゲット物質を蒸発させる。蒸発した
ターゲット物質は、スパッタ面に対向して配された基板
上に堆積して薄膜を形成する。

【０００５】一般にアルミニウム及びアルミニウム合金
（以下、併せて単にアルミニウムともいう）は、結晶構
造が面心立方格子であり、その結晶配向として、（１１
１）、（２００）、（２２０）、及び（３１１）方位の
４種類の結晶方位を含むことが知られている。アルミニ
ウムターゲットにおいては、スパッタリング法により形
成される薄膜の膜厚分布を良好にするために、ターゲッ
トのスパッタ面の各結晶方位の比率を制御する試みがな
されている（特許出願公告平成３年第１０７０９号公
報）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】近年、半導体装置等の
生産効率を高めるため、特にスパッタリング法において
は高い成膜速度が要求されている。しかし、従来、この
成膜速度と、アルミニウムターゲットのスパッタ面にお
ける前記各結晶方位の比率との関係については、解明が
なされていない。

【０００７】また、半導体装置の高集積化に伴い、半導
体装置では配線幅の縮小及び配線の多層化により、いき
おい配線層間のビア（ＶＩＡ）ホールのアスペクト比が
高くなる傾向がある。アルミニウムターゲットによって
高いアスペクト比を有するビアホール内にアルミニウム
を堆積させる際には、特に良好なステップカバレッジに
よる成膜が要求されるが、かかるステップカバレッジの
点についても、アルミニウムターゲットのスパッタ面の
各結晶方位の比率との関係は不明である。

【０００８】上記に鑑み、本発明は、ターゲットのスパ
ッタ面の結晶方位の比率を制御することで、高い成膜速
度及び良好なステップカバレッジによって薄膜形成が行
われるスパッタリングを可能とする、アルミニウム又は
アルミニウム合金から成るスパッタリングターゲットを
提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明者らは、
前記目的達成のために鋭意検討を重ねた結果、高い成膜
速度による薄膜形成並びに高いアスペクト比のビアホー
ル内における良好な成膜についても、アルミニウムター
ゲットのスパッタ面における結晶方位比率の制御により
可能であることを見出し、本発明を完成させるに至っ
た。

【００１０】即ち、前記目的を達成する本発明のスパッ
タリングターゲットは、アルミニウム又はアルミニウム
合金から成り、そのスパッタ面においてＸ線回折法で測
定された（１１１）結晶方位含有率が２０％以上である
ことを特徴とするものである。

【００１１】ここで、Ｘ線回折法によって（１１１）結
晶方位含有率を算出する方法について説明する。表−１
は、Ｘ線回折法で測定された各回折線の測定強度から補
正強度値を算出する方法を示している。

【００１２】

【表１】

【００１３】まず、スパッタ面において、Ｘ線回折計に
より各結晶方位（１１１）〜（３１１）に対応する回折
角における回折線の強度Ｉを測定する。測定された各回
折線の強度値ａ〜ｄを、結晶方位の回折線の相対強度比
Ｉ₀（例えばＡＳＴＭ No.4-0787 に記載されている）に
基づいて補正する。即ち、表−１に基づいてＩ／Ｉ₀を
補正強度値として算出する。なお、Ｘ線としては、例え
ばＣｕ−Ｋａ線を使用する。

【００１４】次に、上記によって得られた補正強度値か
ら、（１１１）結晶方位含有率を次のように算出する。（１１１）結晶方位含有率＝(a/100)／（(a/100)＋(b/4
7)＋(c/22)＋(d/24)）

【００１５】一般にアルミニウムの結晶配向では、前述
の４種類の結晶方位の内、特に（２００）方位面及び
（２２０）方位面の結晶が優先的に形成される。従って
従来のアルミニウムターゲットでは、上記のように算出
されるスパッタ面の（１１１）結晶方位含有率は、高々
１５％程度の低い値であった。しかし、本発明に従い、
アルミニウムターゲットにおいて、スパッタ面の（１１
１）結晶方位含有率を２０％以上とすることにより、ス
パッタリングの際に高い成膜速度が得られると共に、高
いアスペクト比のビアホールにおいても良好なステップ
カバレッジを有する薄膜の形成が可能となるものであ
る。

【００１６】アルミニウムターゲットのスパッタ面にお
いて、２０％以上の高い（１１１）結晶方位含有率を得
ることは、例えば、所定の熱処理を行って得られたアル
ミニウムのビレットについて、圧縮率が５０〜９０％の
範囲にある塑性加工を行い、引続き２８０〜４５０℃範
囲の温度による熱処理を行うことにより可能である。

【００１７】ここで、圧縮率及び熱処理温度の値は、個
々のアルミニウムターゲット材料の純度及び組成によ
り、また、それ以前にこの材料に対して行われた熱処理
の条件により夫々異なる。しかし、これら材料の純度、
組成及び以前の熱処理条件が定まると、配向制御のため
の圧縮率及び熱処理温度は一義的に定まるので、その値
は実験的に容易に見出すことができる。一般に、この二
次熱処理の温度を上げることにより、また圧縮率を上げ
ることにより、夫々（１１１）結晶方位含有率が上昇す
る。

【００１８】

【好適な実施の態様】本発明のスパッタリングターゲッ
トは、好適には以下のようにして得られる。まず、高純
度アルミニウム（例えば、純度９９．９９９％）を、そ
のまま或いは所定の合金元素を添加した後溶解し、連続
鋳造法により直径が１００〜２００mmの鋳塊を製造す
る。添加する合金元素としては、例えば、全重量比で
０．０１〜３％のＳi元素、或いは、それに加えて、全
重量比で０．０１〜３％のＣu、Ｔi、Ｐd、Ｚr、Ｈf、
及びＹ、Ｓcを含む希土類元素から成る元素の１種又は
２種以上が挙げられる。

【００１９】合金元素を添加した場合には、一次熱処理
として、４５０〜６００℃の温度で５時間以上の加熱を
行い、これによって合金元素の均質化を図った後、水冷
等によって急冷する。次に、鍛造、圧延等の塑性加工に
より５０〜９０％の圧縮を加える。更にその後、二次熱
処理として、２８０〜４５０℃で５〜３０分間加熱す
る。この塑性加工及び二次熱処理の条件選択により、タ
ーゲット表面に平行な面の（１１１）結晶方位比率を２
０％以上となるように調整する。得られた素材を機械加
工等することにより、所定のターゲット形状及び寸法と
なるように仕上げる。

【００２０】

【実施例】現在、ＬＳＩの配線に多用されているターゲ
ット材料である、Ｓiが１重量％、Ｃｕが０．５重量
％、残余がＡｌ及び不純物という組成を有する合金材料
から、本発明の実施例のターゲットである２種類のター
ゲット試料を試作した。各ターゲット試料は、夫々異な
る圧縮率及び熱処理条件で製作した。また、比較のた
め、同じ組成の合金材料から、圧縮率及び熱処理条件が
実施例のターゲット試料のそれと異なる比較例のターゲ
ット試料を製作した。

【００２１】上記各試料は、以下のように製造した。ま
ず、前記組成を有する合金材料を半連続鋳造法によって
得た。この合金を、一次熱処理として５４０℃で１２時
間の熱処理後、水中に投入して室温に迄急冷した。次
に、この合金について、圧縮率を７０％とする圧縮加工
を行った後、二次熱処理として４００℃で１５分間の熱
処理を行うことにより、試料Ａのための素材を得た。ま
た、同様に水冷後の前記材料について、圧縮率を８０％
とする圧縮加工後、二次熱処理として４００℃で１５分
間の熱処理を行うことにより、試料Ｂのための素材を得
た。更に、前記水冷後の材料について、圧縮率を８０％
とする圧縮加工後、二次熱処理として４５０℃で１５分
間の熱処理を行うことにより、試料Ｃのための素材を得
た。

【００２２】得られた素材夫々から、各ターゲット試料
Ａ〜Ｃを切り出した。各ターゲットの寸法は、直径を２
５０mm、厚みを１５mmとした。各ターゲット試料の夫々
について、スパッタ面をＸ線回折計により測定し、各測
定値から夫々（１１１）結晶方位含有率を算出した。各
ターゲット試料の（１１１）結晶方位含有率が、試料Ａ
は１５％、試料Ｂは２５％、試料Ｃは５５％と夫々算出
されたので、試料Ａを比較例のターゲット、試料Ｂ及び
Ｃを実施例のターゲットとした。

【００２３】シリコンウエハを各試料Ａ〜Ｃに対応して
用意し、各ウエハ表面に１μm厚みのＳiＯ₂層を形成し
た。各ターゲット試料を夫々、スパッタ装置によってス
パッタリングし、このＳiＯ₂層上にアルミニウム薄膜と
して堆積させた。スパッタ装置としては、日本真空技術
株式会社製ＭＬＸ３０００を使用した。スパッタリング
条件としては、Ａｒ圧力３×１０^-3Ｔorr、スパッタ電
力６．５ｋＷ、ウエハ温度２００℃を採用した。また、
薄膜を堆積するウエハの径は６インチとした。

【００２４】各ターゲット試料夫々について、上記スパ
ッタリングによりＳiＯ₂層上に形成されるアルミニウム
薄膜の堆積速度Ａ／sec（オングストローム／秒）を測
定した。その結果を、各試料ターゲットの（１１１）方
位含有率と対比させて表−２に示す。

【００２５】

【表２】

【００２６】表−２に見るごとく、本発明の実施例のタ
ーゲット試料Ｂ及びＣでは、比較例のターゲット試料Ａ
に比して薄膜形成速度が５〜１０％近く改善されてい
る。特に（１１１）結晶方位含有率が高くなるに従って
薄膜形成速度が高くなることが理解できる。これは、
（１１１）方位面を有する結晶は、その方位のためにス
パッタリングの際にスパッタ面と垂直方向の速度成分を
有するターゲット物質が多く発生することに起因すると
考えられる。

【００２７】従来、高品質薄膜形成用のスパッタ装置と
して、スパッタ面とウエハとの間にシャッタを設けた形
式のスパッタ装置が知られている。シャッタは、スパッ
タ面と平行方向の速度成分を有するターゲット物質によ
る成膜を制限するために設けられるものである。かかる
スパッタ装置の場合には、一般に、特に精度の良い膜厚
分布を有する薄膜の形成が可能であるが、従来のスパッ
タリングターゲットの場合には、シャッタにより捕捉さ
れるターゲット物質の比率が多く、薄膜形成速度が特に
低いことが問題であった。

【００２８】しかし、本発明のスパッタリングターゲッ
トの場合には、（１１１）結晶方位含有率を高くしたこ
とにより、スパッタ面と垂直の方向に飛翔するターゲッ
ト物質の比率が増加する。従って、本発明のスパッタリ
ングターゲットによると、前記高品質薄膜形成用のスパ
ッタ装置に使用した場合には特に、従来の同様なスパッ
タリングターゲットに比して薄膜形成速度が増加する。

【００２９】次に、厚みが１μm及び２μmのＳiＯ₂膜が
表面に夫々形成されたウエハを、各試料ターゲットに対
応させて用意した。夫々のウエハのＳiＯ₂膜に各１μm
の直径のビアホールを１０個づつ形成した。これによ
り、各ターゲット試料に対して２種類のアスペクト比、
Ｒ＝１及びＲ＝２のアスペクト比のビアホールが形成さ
れた。ウエハの断面略図である添付図（図１）に示した
ように、アスペクト比Ｒは、ＳiＯ₂膜２の膜厚、即ちビ
アホールの深さＨと、ビアホールの直径Ｄとにより、Ｒ
＝Ｈ／Ｄと定義される。

【００３０】前記試料Ａ〜Ｃの各ターゲットを使用し
て、表−１にその結果を示したスパッタリングにおける
と同様な条件のスパッタリング法により、ビアホールを
設けた上述のウエハ上にアルミニウム薄膜を堆積させ
た。各アスペクト比を有するビアホール部分に形成され
た薄膜の形状に注目した。前記添付図に示すように、ビ
アホールの垂直壁部に形成されるアルミニウム薄膜１の
厚みｂと、このビアホール以外の部分に形成される水平
部分のアルミニウム薄膜１の膜厚ａとの比ｂ／ａを測定
し、この比ｂ／ａの値でステップカバレッジを評価する
こととした。

【００３１】一般に、上記比ｂ／ａの値が小さい場合に
は、ビアホール内側の薄膜のステップ部分において薄膜
にクラックが生じやすい。即ち、良好なステップカバレ
ッジが得られないと判断される。従って、比ｂ／ａの値
が高い薄膜を形成できるターゲット試料は、より良好な
ステップカバレッジを得ることができるターゲットと評
価される。

【００３２】各ターゲット試料から夫々のアスペクト比
のビアホールで得られた薄膜におけるｂ／ａの比（％）
について、各試料ターゲット毎のビアホール１０箇所の
平均値を表−３に示した。

【表３】

【００３３】表−３によると、本発明の実施例のターゲ
ット試料Ｂ及びＣでは、比較例のターゲット試料Ａに較
べて、アスペクト比Ｒ＝１及びＲ＝２の双方のビアホー
ルにおいてより大きな比ｂ／ａが得られ、より良好なス
テップカバレッジを有する薄膜が得られることが理解で
きる。

【００３４】特に近年の高集積の半導体装置では、アス
ペクト比が高いビアホールが多く形成されるので、配線
パターンの信頼性を確保するためには、アスペクト比の
高いビアホールにおいて、良好なステップカバレッジを
有する薄膜の形成が望まれており、これを可能とする本
発明のスパッタリングターゲットの有用性は高いもので
ある。

【００３５】なお、本発明のアルミニウムスパッタリン
グターゲットは、スパッタ面の結晶配向について、（１
１１）方位含有率が２０％以上であることをその骨子と
するものであるから、アルミニウム材料の組成自体はい
かようにも選択できる。従って、上記実施例のターゲッ
ト材料の組成に限定されるものではなく、ターゲット材
料は、目的とする配線組成に従い任意に選択可能であ
る。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のアルミニ
ウムスパッタリングターゲットによると、スパッタリン
グ法による薄膜形成の際に、高い成膜速度と良好なステ
ップカバレッジの薄膜形成の双方が可能であるので、半
導体装置の生産効率の向上及び信頼性確保の双方が可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ステップカバレッジの説明をするためのウエハ
の断面図である。

【符号の説明】

１：アルミニウム薄膜２：ＳiＯ₂薄膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム又はアルミニウム合金から
成り、そのスパッタ面においてＸ線回折法で測定された
（１１１）結晶方位含有率が２０％以上であることを特
徴とするスパッタリングターゲット。