JPH06200374A

JPH06200374A - 反応性スパッタリング用ターゲット

Info

Publication number: JPH06200374A
Application number: JP3393A
Authority: JP
Inventors: Akitoshi Hiraki; 明敏平木; Kunichika Kubota; 邦親久保田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1993-01-04
Filing date: 1993-01-04
Publication date: 1994-07-19

Abstract

(57)【要約】【目的】目的、十分に低い比抵抗値を有する薄膜が安
定して得られ、しかもパーティクルの発生が少なく、バ
リア性にも優れた反応性スパッタリング用ターゲットを
提供する。【構成】本発明は、実質的にチタンと窒素で構成さ
れ、ターゲットを構成する窒素とチタンの原子比が０．
２≦窒素／チタン≦０．９の関係を満たし、窒素を含む
スパッタリングガスで反応させ、ターゲット中の窒素と
チタンの比よりも窒素の多い膜を成膜するのに用いられ
ることを特徴とする反応性スパッタリング用ターゲット
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体デバイスのバリ
アメタル層等になる窒化チタン薄膜をターゲット中の窒
素とチタンの比よりも窒素の多い膜を成膜するのに用い
られる反応性スパッタリング用ターゲットに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】近年ＬＳＩの集積度向上にはめざましい
ものがあり、そのために回路を構成する配線幅もさらな
る微細化が進行中である。また、ＬＳＩには電極部であ
るアルミニウムと素子部であるシリコンの間の、両元素
の反応拡散を防止するために、拡散防止層が形成されて
いる。この拡散防止層も配線幅の微細化にともない、よ
り薄層化が要求され、現在高融点で拡散防止効果も高い
拡散防止層が求められている。また、この拡散防止層は
電極の一部となるため、比抵抗値のできるだけ低い材料
が望ましい。現在、比抵抗値が低く、極めて優れた拡散
防止効果を有する材料として窒化チタン層が注目されて
いる。この窒化チタン層は、通常反応性スパッタリング
法によって形成される。この反応性スパッタリング法
は、純チタンのターゲットをグロー放電により形成した
窒素イオンおよびアルゴンイオン等の荷電粒子で衝撃を
与えることによって、ターゲット表面を窒化するととも
に、その衝撃力で窒化チタン粒子を放出させて、ターゲ
ットに対向して設置したシリコンウェハーに窒化チタン
膜を形成するものである。また、最近は窒化チタン合金
ターゲットをアルゴンイオンのみでスパッタリングし
て、窒化チタン膜を形成する方法も提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たスパッタリングの方法は次のような問題を有してい
る。前者の純チタンターゲットを用いた反応性スパッ
タリング法では、スパッタ装置に導入される窒素によっ
て窒化チタンが生成するが、ターゲットが純チタンであ
るとスパッタリング粒子が荷電粒子によってターゲット
から物理的にたたき出される時に、未反応のチタンを完
全になくすことは難しい。そしてこのスパッタリング粒
子の組成は、スパッタリング装置に導入される窒素およ
びアルゴン等の不活性ガスの分圧、雰囲気の圧力、装置
への投入電力に対してきわめて敏感に変動し、生成する
窒化チタン薄膜中の組成も変動することになるため、ス
パッリングの条件はきわめて正確に制御する必要があっ
た。また、未反応のチタンが形成した薄膜内に残存する
と、窒化チタン薄膜中の未反応チタンと配線として形成
されるアルミニウム薄膜と反応が起こり、本来の拡散防
止性、いわゆるバリア性が劣化するという問題もある。
また、上記の未反応チタンは窒化チタンよりも比抵抗が
高いため、薄膜の比抵抗が高くなる原因にもなる。

【０００４】また、後者の窒化チタン合金ターゲットに
よって窒化チタン薄膜の形成する方法では、形成した窒
化チタン薄膜上に巨大粒子、いわゆるパーティクルが多
く発生し、電極配線を断線させる問題がある。これは、
ターゲットを窒素とチタンが原子比で１：１である化学
量論的な窒化チタンで構成しようとすると、この窒化チ
タンは融点が２９５０℃ときわめて高いために焼結性が
非常に悪く、窒化チタン合金ターゲットの密度をあげる
ことが困難でありターゲット中に微小ポアが存在してし
まうためである。また、ターゲット中の窒化チタン粒子
間の結合力も弱いという問題がある。たとえば窒化チタ
ン合金ターゲットでは、スパッタリング期間にターゲッ
ト中に存在する微小ポアが異常放電の原因となり、この
ような異常放電の発生により、ターゲット中の結合力の
弱い窒化チタン粒子が飛散して、パーティクルの原因と
なる。本発明の目的は、十分低い比抵抗値を有する薄膜
が安定して得られ、しかもパーティクルの発生も少な
く、バリア性にも優れた反応性スパッタリング用ターゲ
ットを提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者は、窒素イオン
とアルゴンイオン等の荷電粒子を用いる反応性スパッタ
リングとこれに用いるターゲットについて検討したとこ
ろ、特定の組成比を有する窒化チタンターゲットが、形
成する薄膜中の未反応性チタンを減らし、薄膜の比抵抗
を低い値にすることができ、しかもパーティクルが少な
いものとなることを見いだした。すなわち、本発明は実
質的にチタンと窒素で構成され、ターゲットを構成する
窒素とチタンの原子比が０．２≦窒素／チタン≦０．９
の関係を満たし、好ましくは相対密度が９７％以上であ
る、窒素を含むスパッタリングガスで反応させ、ターゲ
ット中の窒素とチタンの比よりも窒素の多い膜を成膜す
るのに用いられることを特徴とする反応性スパッタリン
グ用ターゲットである。

【０００６】本発明の最大の特徴は純チタンターゲット
ではなく、特定量の窒素を含む窒素とチタンよりなるタ
ーゲットを反応性スパッタリング用のターゲットとした
ことである。このようなターゲットを反応性スパッタリ
ング使用すると、純チタンターゲットでは、スパッタリ
ング期間中にすべてのスパッタリング粒子の組成につい
て、完全にチタンから窒化チタンへの反応が完了するよ
うな極めて正確なスパッタリング条件の設定が必要であ
ったのが、はじめから化学量論量である窒素とチタンの
原子比１：１に近い組成になっているため、純チタンタ
ーゲットに比べて、窒化に対するスパッタリング条件が
緩和される。詳しく説明すると、反応性スパッタリング
法はターゲット表面および膜表面に存在する純チタン原
子と雰囲気ガスとして供給される窒素をプラズマ衝撃に
より反応させる方法である。この時の反応機構はD.K.HO
HNKE, D.J.SCHMATZ,M.D.HURLEYらのThin Solid Films 1
18 (1984)の論文にも示されるように、スパッタ条件に
大きく左右され、特に反応物供給条件に律速されるた
め、スパッタリング装置へ供給されるガス流量、ガス組
成、成膜ガス圧に大きく依存することとなる。さらに、
窒化チタンは窒素とチタンが１：１でない非化学量論化
合物としても存在可能なため、目的組成の膜を得るため
には、非常に正確なスパッタリングの条件を設定し、調
整する必要があったのである。

【０００７】これに対して、本発明のように、あらかじ
めターゲットを窒素を含むものとし、得ようとする膜組
成に近いものとすることにより、反応による膜組成の変
動が少なくなり、再現性の良い成膜が可能となる。ま
た、半導体のバリアメタルとして必要な低い薄膜抵抗を
得るには、窒素とチタンが１：１に近い非常に狭い領
域に調製する必要があるため、膜組成の安定性は非常に
重要である。また、従来の純チタンターゲットによるス
パッタリングでは、ターゲットから飛び出すスパッタ粒
子は窒化チタンだけでなく、チタン単体の粒子もあり、
生成膜中に未反応チタンが存在するのを避けられない
が、本発明のターゲットでは、ターゲット自体が窒素を
含むから、純チタンターゲットよりも未反応チタンが残
留するのを少なくすることができ、バリア性も向上す
る。

【０００８】また、本発明の窒素とチタンのターゲット
は、完全に窒素とチタンの原子比が１：１である窒化チ
タンターゲットではなく、原子比でチタンを窒素より多
いものとしている。これは、窒化チタンに対してチタン
を多くすることにより、製造時にターゲット中の余剰チ
タンが窒化チタンをつなぐ、メタルバインダ的な役割を
果たし、極めて高い密度のターゲットが製造できること
を見いだしたからである。これにより、ターゲットの焼
結強度は向上し、ターゲットを構成する粒子間の結合力
も高いものとなり、生成薄膜上にパーティクルが発生す
るのを防ぐことができる。

【０００９】本発明において、窒素／チタンの原子比を
０．９以下としたのは、０．９を越えると、ターゲット
の密度が急激に低下するとともに、上述したような密度
の低下に起因するパーティクルの発生が増加することに
なるためである。また、窒素／チタンの原子比を０．２
以上としたのは、０．２より小さいと、純チタンターゲ
ットの場合と薄膜組成の安定性がほとんど変わらないた
めである。また、本発明の反応性スパッタリング用ター
ゲットは、窒化チタンの粉末とチタン粉末を特定の窒素
とチタンの比となるように混合し、焼結することによっ
て得ることができる。上記チタン粉末に替えて、粉砕
性、脱酸素性に優れた水素化チタンを使用し、脱水素処
理後、焼結を行っても良い。本発明において、焼結には
熱間静水圧プレス、ホットプレス等の加圧焼結法を用い
ることが、ターゲット密度を向上する点で好ましい。

【００１０】

【実施例】

（実施例１）窒素／チタンの原子比を１である窒素２
２．６重量％、残部チタン、純度９９．９９％以上、平
均粒径４０μmの窒化チタン粉末と純度９９．９９％以
上、平均粒径４０μmの純チタン粉末を特定の混合比で
配合し、Ｖ型ブレンダで混合した。得られた混合粉を内
径φ４００mmの熱間静水圧プレス用のカプセルに充填し
た後、１２５０℃×５時間、１００ＭＰａの条件で熱間
静水圧プレスを行い、φ３００×６ｔの窒素／チタンの
原子比が０から１のターゲットを得た。得られたターゲ
ットの窒素／チタンの原子比と相対密度の関係を図１に
示す。図１より、窒化チタンの量が多くなり、窒素／チ
タンの原子比が０．９を越えるとターゲット密度が急激
に低下することがわかる。このターゲットを用いて、表
１に示すスパッリング条件で、それぞれφ６インチウエ
ハ上に成膜した。

【００１１】

【表１】

【００１２】図２に反応性スパッタリングの成膜ガス組
成である３０％窒素を含むアルゴンガスおよび比較のた
めに純アルゴンガスを用いた時のターゲット組成に対す
る得られた薄膜中に観察された０．５μｍ以上のパーテ
ィクル数の関係を示す。図２よりパーティクルの発生に
対しては、スパッタリングの成膜ガス組成にはほとんど
依存せず、窒素／チタンの原子比に依存しており、窒素
／チタンの原子比が０．９を越えるとパーティクルが増
加する傾向を示している。この傾向は図１に示したター
ゲット密度の低下とほぼ一致しており、ターゲット密度
の低下がパーティクル発生数の増加の原因となっている
ことがわかる。また、ターゲット密度とパーティクルの
発生数より、ターゲット組成として、窒素／チタンの原
子比は０．９以下、密度は９７％以上であることが好ま
しいことがわかる。

【００１３】（実施例２）窒素／チタンの原子比が０．
７のターゲットを実施例１と同様に製造した。また、比
較例として、純チタンのみのターゲットを製造した。こ
れらのターゲットを成膜ガス圧０．６Ｐａ、３０％窒素
を含むアルゴンガスを用いて、成膜ガス流量を０．１〜
０．６Ｐａｍ³／ｓの間で変えて、他の条件は表１に示
す条件に固定して、それぞれφ６インチウエハ上に成膜
した。図３にガス流量と生成した薄膜の薄膜抵抗との関
係を示す。図３に示す比較例である純チタンのターゲッ
トでは、この実施例のスパッタリング条件において、成
膜ガス流量０．４Ｐａｍ³／ｓ付近に狭い範囲で、薄膜
抵抗の低い領域が存在することがわかる。この薄膜抵抗
の低い領域では、薄膜は窒素／チタン＝１である窒化チ
タンを示す黄金色を呈するものであった。これに対し
て、本発明例の窒素／チタンの原子比が０．７のターゲ
ットでは、成膜ガス流量が０．１〜０．３Ｐａｍ³／ｓ
の広い範囲で１００μΩ・ｃｍ以下の低い比抵抗を示す
領域が存在することがわかった。この領域の薄膜は純チ
タンターゲットの場合と同様に窒素／チタン＝１である
窒化チタンを示す黄金色を呈していた。図３より、本発
明のターゲットは純チタンターゲットに比べ成膜ガス流
量に対する薄膜組成の変動が少ないことが確認された。

【００１４】（実施例３）実施例２と同様に製造した、
窒素／チタンの原子比が０．７のターゲットと、比較例
として、製造した純チタンのみのターゲットを、スパッ
タリングの成膜ガス圧を０．２〜１．０Ｐａで変え、成
膜ガス流量を０．４Ｐａｍ³／ｓに固定し、他の条件を
実施例２と同じに設定して、それぞれφ６インチウエハ
上に成膜した。図４にガス圧と生成した薄膜の薄膜抵抗
値の関係を示す。図４に示す比較例である純チタンのタ
ーゲットでは、この実施例のスパッタリング条件におい
て、成膜ガス圧０．６Ｐａ付近に狭い範囲で、薄膜抵抗
の低い領域が存在することがわかる。これに対して、本
発明例の窒素／チタンの原子比が０．７のターゲットで
は、成膜ガス圧が０．２〜０．５Ｐａの広い範囲で１０
０μΩ・ｃｍ以下の低い比抵抗を示す領域が存在するこ
とがわかった。この領域の薄膜は純チタンターゲットの
場合と同様に窒素／チタン＝１である窒化チタンを示す
黄金色を呈していた。図４より、本発明のターゲットは
純チタンターゲットに比べ成膜ガス圧に対ても薄膜組成
の変動が少ないことが確認された。

【００１５】（実施例４）実施例１と同様に窒素／チタ
ンの原子比が０〜１のターゲットを製造した。これらの
ターゲットを成膜ガス流量を０．４Ｐａｍ³／ｓに固定
し、成膜ガス圧を０．２〜１．０Ｐａまで変化させてス
パッタリングを行い、得られた薄膜の薄膜抵抗値が１０
０μΩ・ｃｍ以下となる領域を確認した。他のスパッタ
リングの条件は表１に示す条件と同じである。結果を図
５に示す。図５より、窒素／チタンの原子比が０である
純チタンの場合に比べて、窒素／チタンの原子比が１に
近づくほど薄膜抵抗値の低い領域が広がることがわか
る。また、この薄膜抵抗値の低い領域は窒素／チタンの
原子比が０．２でも明確に広がることがわかる。また、
図５に示すＡ，Ｂ，Ｃで得られた薄膜材料（いずれも１
００μΩ・ｃｍ）上に、純アルゴンガス０．６Ｐａでア
ルミニウムを１μｍ成膜した。これらの試料を窒素０．
１ＭＰａの雰囲気で４５０〜６４０℃の炉内に導入し、
３０分保持してバリア性を評価した。バリア性の評価
は、アルミニウム膜を塩酸除去後、１０００倍の走査型
電子顕微鏡で、表面に形成されたアルミニウム拡散浸透
跡（ピットと称する）の発生の有無を観察することによ
って行なった。結果を表２に示す。

【００１６】

【表２】

【００１７】表２より、バリア性に対しては窒素／チタ
ンの原子比が１に近いほど、ピットの発生頻度が少な
く、優れていることがわかる。実施例１ないし実施例４
より、窒素／チタンの原子比に対してはパーティクルの
観点からは０．９以下が好ましく、スパッタリング条件
に対する薄膜抵抗の安定性、バリア性の観点からは０．
２以上で１に近いほど良いことがわかる。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、反応性スパッタリング
で成膜する際にパーティクルの発生が少なく、しかも反
応性スパッタリングの条件を極めて正確に調整しなくて
も薄膜抵抗値の低い窒素／チタンの原子比が１近傍の窒
化チタン薄膜を安定して得ることが可能となり、半導体
のバリアメタルの用途にとって、極めて有用なターゲッ
トとなる。また、本発明のターゲットはアルミニウムの
バリア性にも優れており、本発明のターゲットを用いて
バリアメタルを構成することによって、ＬＳＩの極めて
厳しい耐久性を確保することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ターゲットの窒素／チタンの比とターゲット密
度との関係を示した図である。

【図２】ターゲットの窒素／チタンの比と生成した薄膜
中のパーティクル数との関係を示した図である。

【図３】図３は本発明例と比較例のターゲットに対して
成膜ガス流量を変え、生成した薄膜の比抵抗を測定した
結果を示す図である。

【図４】図４は本発明例と比較例のターゲットに対して
成膜ガス圧を変え、生成した薄膜の比抵抗を測定した結
果を示す図である。

【図５】図５はターゲットの窒素／チタンの比と成膜ガ
ス圧を変えた時に比抵抗１００μｍ・Ω以下が得られる
範囲との関係を示した図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】実質的にチタンと窒素で構成され、ター
ゲットを構成する窒素とチタンの原子比が０．２≦窒素
／チタン≦０．９の関係を満たし、窒素を含むスパッタ
リングガスで反応させ、ターゲット中の窒素とチタンの
比よりも窒素の多い膜を成膜するのに用いられることを
特徴とする反応性スパッタリング用ターゲット。
【請求項２】ターゲットの相対密度が９７％以上であ
ることを特徴とする請求項１に記載の反応性スパッタリ
ングターゲット。