JPWO2015146516A1 - タンタルスパッタリングターゲット及びその製造方法 - Google Patents

タンタルスパッタリングターゲット及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【要約書】タンタルスパッタリングターゲットのスパッタ面の（１００）面の配向率が３０〜９０％であり、（１１１）面の配向率が５０％以下であることを特徴とするタンタルスパッタリングターゲット。溶解鋳造したタンタルインゴットを、鍛造及び再結晶焼鈍した後、圧延及び熱処理し、タンタルスパッタリングターゲットの（１００）面の配向率が３０〜９０％であり、（１１１）面の配向率が５０％以下である結晶組織を形成することを特徴とするタンタルスパッタリングターゲットの製造方法。ターゲットの結晶配向を制御することにより、タンタルターゲットのバーンイン積算電力量を減少させて、プラズマを発生し易くし、成膜速度を安定化させ、膜の抵抗変動を減少させる効果を有する。【選択図】なし

Description

本発明は、タンタルスパッタリングターゲット及びその製造方法に関する。特に、ＬＳＩにおける銅配線の拡散バリア層としてのＴａ膜又はＴａＮ膜の形成に用いられるタンタルスパッタリングターゲット及びその製造方法に関する。
従来、半導体素子の配線材料としてアルミニウムが使用されていたが、素子の微細化、高集積化に伴い、配線遅延の問題が表面化し、アルミに替わって電気抵抗の小さい銅が使用されるようになった。銅は、配線材料として非常に有効であるが、銅自体が活発な金属であるため、層間絶縁膜に拡散して汚染するという問題があり、銅配線と層間絶縁膜との間に、Ｔａ膜やＴａＮ膜などの拡散バリア層を形成する必要がある。
一般に、Ｔａ膜やＴａＮ膜は、タンタルターゲットをスパッタリングすることにより成膜する。これまでタンタルターゲットについて、スパッタリング時のパフォーマンスに及ぼす影響に関して、ターゲットに含有される各種不純物、ガス成分、結晶の面方位や結晶粒径等が、成膜速度、膜厚の均一性、パーティクル発生等に影響を与えることが知られている。
例えば、特許文献１には、ターゲット厚さの３０％の位置からターゲットの中心面に向かって（１１１）配向が優先的である結晶組織にすることより、膜の均一性を向上させることが記載されている。
また、特許文献２は、タンタルターゲットの結晶配向をランダムにする（特定の結晶方位にそろえない）ことにより、成膜速度が大きく、膜の均一性を向上させることが記載されている。
また、特許文献３には、原子密度の高い（１１０）、（１００）、（２１１）の面方位をスパッタ面に選択的に多くすることにより成膜速度が向上し、かつ面方位のばらつきを抑えることでユニフォーミティの向上が記載されている。
さらに、特許文献４には、Ｘ線回折により求められる（１１０）面の強度比の、スパッタ表面部分の場所によるばらつきを２０％以内にすることにより、膜厚均一性を向上させることが記載されている。
また、特許文献５には、スエージング、押し出し、回転鍛造、無潤滑の据え込み鍛造をクロック圧延と組み合わせて用い、非常に強い（１１１）、（１００）などの結晶学集合組織を持つ円形の金属ターゲットを作製できると述べられている。
この他、下記特許文献６には、タンタルインゴットを、鍛造、焼鈍、圧延加工を施し、最終組成加工後、さらに１１７３Ｋ以下の温度で焼鈍を行い、未再結晶組織を２０％以下、９０％以下とするタンタルスパッタリングターゲットの製造方法が記載されている。
また、特許文献７には、鍛造、冷間圧延等の加工と熱処理により、ターゲットのスパッタ面のピークの相対強度を（１１０）＞（２１１）＞（１００）とし、スパッタ特性を安定化させる技術が開示されている。一般に、（１１０）は加工歪によって高くなるので、このように加工された表面はスパッタレートが早くなり、バーンインによる表層除去が早く終了し、安定領域の露出を早める効果があるので、このような（１１０）を採用する傾向がある。
また、特許文献８には、タンタルインゴットを鍛造し、この鍛造工程で２回以上の熱処理を行い、さらに冷間圧延を施し、再結晶化熱処理を行うことが記載されている。
また、特許文献９には、１ ｍ ａ ｓ ｓ ｐ ｐ ｍ 以上、１ ０ ０ ｍ ａ ｓ ｓ ｐ ｐ ｍ 以下のモリブデンを必須成分として含有し、モリブデン及びガス成分を除く純度が９ ９ ． ９ ９ ８ ％ 以上であることを特徴とするタンタルスパッタリングターゲット。上記に、０ 〜 １ ０ ０ ｍ ａ ｓ ｓ ｐ ｐ ｍ （ 但し０ ｍ ａ ｓ ｓ ｐｐ ｍ を除く） のニオブをさらに含有し、モリブデン、ニオブ及びガス成分を除く純度が９９ ． ９ ９８ ％ 以上であることを特徴とする記載のタンタルスパッタリングターゲット。均一微細な組織を備え、プラズマが安定であり、膜の均一性（ ユニフォーミティ） に優れた高純度タンタルスパッタリングターゲットを得ることが記載されている。
さらに、特許文献１０には、１ ｍ ａ ｓ ｓ ｐ ｐ ｍ 以上、１ ０ ０ ｍ ａ ｓ ｓ ｐ ｐ ｍ 以下のタングステンを必須成分として含有し、タングステン及びガス成分を除く純度が９ ９ ． ９ ９ ８ ％ 以上であることを特徴とするタンタルスパッタリングターゲット。０ 〜 １ ０ ０ ｍ ａ ｓ ｓ ｐ ｐ ｍ （ 但し０ ｍ ａ ｓ ｓ ｐ ｐ ｍを除く） のモリブデン及び／ 又はニオブをさらに含有し、タングステン、モリブデン、ニオブの合計含有量が１ ｍ ａ ｓ ｓ ｐ ｐ ｍ 以上、１ ５ ０ ｍ ａ ｓ ｓ ｐ ｐ ｍ 以下であり、タングステン、モリブデン、ニオブ及びガス成分を除く純度が９ ９ ． ９ ９ ８ ％ 以上であることを特徴とする上記のタンタルスパッタリングターゲット。均一微細な組織を備え、プラズマが安定であり、膜の均一性（ ユニフォーミティ） に優れた高純度タンタルスパッタリングターゲットを得ることが記載されている。
半導体に使用するタンタルスパッタリングターゲットは、このように多種類のターゲットの開発がなされている。ターゲット材は１０ｍｍ前後の厚みを採用する場合が主であるが、ターゲット１枚当たりの成膜数（ウエハー数）を増加させることで、コストダウンを図っている。この際、ターゲットの厚さを増加させることは、ターゲットの交換頻度を下げ、装置の停止時間を減少させることができるので、コストダウンには、有効であると言える。
ターゲットの使用積算時間を増加させるには、ターゲットの厚みを増加させ、より長く使用することができるようにすれば良いのであるが、タンタルターゲットの場合は、特有の問題がある。一般に、ターゲットのスパッタリング時には、ウエハー周辺機器への被膜の形成、又は逆スパッタリングによるターゲット周囲への被膜の形成がある。
このため、ターゲットの使用の途中で、スパッタリング装置（真空機器）を大気解放し、汚染された機器を交換して、再度スパッタリングを開始するという手法が採られ、これによって、成膜の延長が図られている。
しかし、高真空中でスパッタリングを行ったタンタルターゲットは、非常に活性化した表面が露出し、真空機器を解放し、大気にターゲットが暴露されると、急速に強固な酸化膜が形成される。このような酸化膜の形成は、酸素の意図的な導入でなくても、大気中の酸素で起こる現象である。
このような酸化膜が形成されたタンタルターゲットは、再度真空引きをし、スパッタリングを再開しようとしても、表面の酸化膜が、成膜特性を不安定にし、成膜速度が乱れ、かつこの表面酸化膜をスパッタ除去して安定なターゲット新生面を露出させるバーンイン時間も長くなるという問題が発生した。この結果、時間と電力、材料の浪費及び材料（成膜）特性が悪化する原因となった。
しかし、上記に説明した一連の特許文献では、この問題を解決する手法は、開示されておらず、その糸口さえも見出すことができなかった。
特開２００４−１０７７５８号公報 国際公開２００５／０４５０９０号 特開平１１−８０９４２号公報 特開２００２−３６３７３６号公報 特表２００８−５３２７６５号公報 特許第４７５４６１７号 国際公開２０１１／０６１８９７号 特許第４７１４１２３号 国際公開２０１１／０１８９７０号 国際公開２０１１／０８９７１号
本発明は、タンタルスパッタリングターゲットにおいて、ターゲットのスパッタ面における結晶配向を制御して、窒化膜の形成を容易にし、ターゲットの使用の途中で、スパッタリング装置（真空機器）を解放し、汚染された機器を交換して、再度スパッタリングを開始するという手法を採る際に、タンタルターゲットの活性化した表面が直接大気に暴露されると、強固な酸化膜が形成されるという問題がある。
このため、本願発明は、事前に窒化膜を形成する。すなわち、大気に解放する前に、タンタルターゲットの表面に窒化膜を形成するものである。これによって、空気中の酸素との急速な反応による酸化膜の形成を効果的に抑制することができる。そして、成膜特性及び成膜速度を安定化させ、かつバーンイン時間も短縮でき、時間と電力の浪費及び材料（成膜）特性を良好にすることができる。
さらに、ターゲットの使用積算時間を増加させ、ターゲットの厚みを増加させ、かつターゲットを、より長く使用することができ、コスト低減化に有効である。このように、Ｔａ膜又はＴａＮ膜などからなる拡散バリア層の形成に有用な、効率的なタンタルスパッタリングターゲットを提供することができる。
上記の課題を解決するために、本発明は、以下の発明を提供するものである。
１）タンタルスパッタリングターゲットのスパッタ面の（１００）面の配向率が３０〜９０％であり、（１１１）面の配向率が５０％以下であることを特徴とするタンタルスパッタリングターゲット。
２）タンタルスパッタリングターゲットのスパッタ面に窒化膜を備えることを特徴とする上記１）に記載のタンタルスパッタリングターゲット。
３）窒化膜の厚さが２００Å以上であることを特徴とする上記２）に記載のタンタルスパッタリングターゲット。
４）上記１）〜３）のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲットを用いて形成した拡散バリア層用薄膜。
５）スパッタリング膜の抵抗変動が１５％以下であることを特徴とする上記４）に記載のスパッタリングターゲットを用いて形成された拡散バリア層用薄膜。
６）１００ｋｗｈ以下の、バーンイン積算電力量であることを特徴とする上記４）〜５）のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲットを用いて形成した拡散バリア層用薄膜。
７）上記４）〜６）のいずれか一項に記載の拡散バリア層用薄膜を有する半導体デバイス。
また、本発明は、以下の発明を提供するものである。
８）溶解鋳造したタンタルインゴットを、鍛造及び再結晶焼鈍した後、圧延及び熱処理し、タンタルスパッタリングターゲットの（１００）面の配向率が３０〜９０％であり、（１１１）面の配向率が５０％以下である結晶組織を形成することを特徴とするタンタルスパッタリングターゲットの製造方法。
９）スパッタリングの再使用を予定するターゲットに対し、スパッタリング操作を一時的に停止し、真空容器を大気解放する前に、当該ターゲットの表面に窒素ガスを供給して、窒化膜を形成することを特徴とする上記８）記載のタンタルスパッタリングターゲットの製造方法。
１０）形成する窒化膜が厚さを２００Å以上であることを特徴とする上記９）に記載のタンタルスパッタリングターゲットの製造方法。
本発明のタンタルスパッタリングターゲットは、ターゲットのスパッタ面における結晶配向を制御することによって、タンタルターゲット表面への窒化膜の形成を容易にすることができる。これによって、ターゲットの使用の途中で、スパッタリング装置（真空機器）を解放し、汚染された機器を交換して、再度スパッタリングを開始するという手法を採る際に、タンタルターゲットの活性化した表面が大気に暴露された場合でも、強固な酸化膜の形成を抑制し、成膜特性及び成膜速度を安定化させ、かつバーンイン時間も短縮でき、時間と電力の浪費及び材料（成膜）特性を良好にすることが可能となる。
この結果、ターゲットの厚みを増加させることができ、ターゲットの使用積算時間を増加させ、かつターゲットを、より長く使用することができるので、ターゲットの使用コストの低減化に極めて有効である。これによって、Ｔａ膜又はＴａＮ膜などからなる拡散バリア層の形成に有用な、効率的なタンタルスパッタリングターゲットを提供することができる。
なお、バーンイン積算電力量は、バーンイン時の投入パワーｋＷにスパッタ時間ｈを掛け合わせたｋＷｈで表記される電力である。通常、スパッタリング装置では、投入パワー、スパッタ時間が管理されているので、スパッタリングは基本的に積算電力により、常に管理されている。
本発明のタンタルスパッタリングターゲットは、通常の工程でスパッタリングを実施するが、ターゲットの使用の途中で、スパッタリング装置（真空機器）を解放し、汚染された機器を交換して、再度スパッタリングを開始する場合に、本願発明の（１００）面の配向率が３０〜９０％であり、かつ（１１１）面の配向率が５０％以下の、結晶の面配向率を持つものは、窒素ガスによる窒化膜の形成が容易である特徴を有する。
そして、事前に形成された窒化膜は、空気中の酸素との急速な反応による酸化膜の形成を効果的に抑制することができるので、従来の問題点を解決することができる。
なお、本願発明の（１００）面の配向率が３０〜９０％であり、かつ（１１１）面の配向率が５０％以下の、結晶の面配向率を持つものは、タンタルターゲットとしては、特殊な配向を備えているので、これ自体が、新規性のあるタンタルターゲットということができる。タンタルターゲットは、通常５ｍｍ以上の厚みを有する。
上記のことから、スパッタリングの再使用を予定するターゲットに対し、スパッタリング操作を一時的に停止し、真空容器を大気解放する前に、当該ターゲットの表面に窒素ガスを供給して、窒化膜を形成し、窒化膜の厚さを２００Å以上とする。
窒化膜を形成する際には、スパッタリングの再使用を予定するターゲットに対し、スパッタリング操作を一時的に停止し、真空容器を大気解放する前に、当該ターゲットの表面に窒素ガスを供給して、窒化膜を形成することができる。
スパッタ装置は、Ｎ２とＡｒの供給ラインを独立してもっているが、この操作は、表面の窒化が目的であり、スパッタリングは行なわず、Ａｒ混合ガスである必要はないので、窒素ガスのみの供給とする。必要に応じて、Ｎ２（Ａｒ１％）含有気体を使用することもできる。
汚染された機器を交換して、再度スパッタリングを開始する場合に、表面に窒化膜を備えたタンタルスパッタリングターゲットの窒化膜は、酸化膜の形成を効果的に抑制することができるが、再使用時のバーンイン時間は、比較的短時間で済むという特徴を有している。したがって、時間と電力の消費およびバーンインにより消失する材料が少なくて済み、かつ成膜特性を良好にする効果を備えている。この結果、タンタルターゲットの厚みを増加させることができ、ターゲットの使用積算時間を増加させ、かつターゲットを、より長く使用することができるので、ターゲットの使用コストの低減化に極めて有効であると言える。
このように、再使用時のタンタルスパッタリング膜の抵抗変動を使用中断前の１５％以下とすることが可能であり、また１００ｋｗｈ以下の、バーンイン積算電力量とすることが可能となる。このような拡散バリア層用薄膜は、半導体デバイスの作成に有効である。なお、抵抗変動は、スパッタリング装置の大気開放前後の成膜ウエハーのシート抵抗を比較したもので、大気開放後のシート抵抗が解放前のシート抵抗値の８５％から１１５％の範囲に入っていることが望ましい。
タンタルスパッタリングターゲットの（１００）面の配向率が３０〜９０％であり、（１１１）面の配向率が５０％以下である結晶組織を形成するためには、溶解鋳造したタンタルインゴットを、鍛造−焼鈍のサイクルを少なくとも２回以上、好ましくは３回以上繰り返すという条件で、鍛造及び再結晶焼鈍した後、圧延及び熱処理して製造することが可能である。なお、前記（１００）面又は（１１１）面は、ターゲット表面から内部にかけて、スパッタ初期からスパッタ終盤までに露出する全ての部位を含む。
本発明のタンタルスパッタリングターゲットは、銅配線におけるＴａ膜又はＴａＮ膜などの拡散バリア層を形成するために用いることができる。スパッタ時の雰囲気に窒素を導入してＴａＮ膜を成膜する場合においても、本発明のスパッタリングターゲットは、ターゲットのスパッタ面における結晶配向を制御することによって、タンタルターゲットの放電電圧を低くし、プラズマを発生し易くすると共に、プラズマの安定性を向上させることができるという優れた効果を有するので、当該Ｔａ膜又はＴａＮ膜などの拡散バリア層を備えた銅配線形成、さらに、その銅配線を備えた半導体デバイス製造において、製品歩留まりを向上させることができる。
本発明のタンタルスパッタリングターゲットは、次のような工程によって製造する。その例を示すと、まず、タンタル原料として、通常４Ｎ（９９．９９％）以上の高純度タンタルを使用する。これを電子ビーム溶解等により溶解し、これを鋳造してインゴット又はビレットを作製する。次に、このインゴット又はビレットを、鍛造、再結晶焼鈍、を行う。具体的には、例えば、インゴット又はビレット−締め鍛造−１１００〜１４００℃の温度での焼鈍−冷間鍛造（一次鍛造）−再結晶温度〜１４００℃の温度での焼鈍−冷間鍛造（二次鍛造）−再結晶温度〜１４００℃の温度での焼鈍を行う。
次に、冷間圧延を行う。この冷間圧延の条件を調整することで、本発明のタンタルスパッタリングターゲットの配向率を制御することができる。具体的には、圧延ロールはロール径が小さいものがよく、５００ｍｍφ以下のものが好ましい。また、圧延速度はできるだけ遅い方がよく、１０ｍ／ｍｉｎ以下が好ましい。さらに、圧延を１回のみ実施する場合は、圧延率は高く８０％超であることが好ましく、圧延を２回以上繰り返す場合は、圧延率は６０％以上とし、ターゲットの最終厚みを圧延１回の場合と同じにする必要がある。圧延率は総計で８０％超とするのが望ましい。また圧延１パスの圧下率は１０％を超過しないように設計する。
次に、熱処理を行う。冷間圧延の条件と併せて、冷間圧延後に行う熱処理条件を調整することで、本発明のタンタルスパッタリングターゲットの配向率を制御することができる。具体的には熱処理温度は高い方が良く、好ましくは８００〜１２００℃とする。圧延で導入される歪みの量にもよるが、再結晶組織を得るためには８００℃以上の温度で熱処理する必要がある。一方、１２００℃超で熱処理することは、粗大粒成長を助長し、かつ経済的に好ましくない。この後、ターゲットの表面を機械加工、研磨加工等の仕上げ加工によって、最終的な製品に仕上げる。
上記の製造工程によってタンタルターゲットを製造するが、本発明において特に重要なことは、ターゲットのスパッタ面の結晶配向において、（１００）面の配向率を高くし、かつ、（１１１）面の配向率を低くすることである。
配向の制御に大きくかかわるのは、主として圧延工程である。圧延工程においては、圧延ロールの径、圧延速度、圧延率等のパラメータを制御することにより、圧延時に導入される歪みの量や分布を変えることが可能となり、（１００）面の配向率及び（１１１）面の配向率の制御が可能となる。
面配向率の調整を効果的に行うには、ある程度の繰り返しの条件設定が必要であるが、一旦（１００）面の配向率及び（１１１）面の配向率の調整ができると、その製造条件を設定することにより、恒常的特性の（一定レベルの特性を持つ）ターゲットの製造が可能となる。
本発明の配向特性を持つターゲットを製造する場合には、圧延ロール径５００ｍｍ以下の圧延ロールを使用し、圧延速度を１０ｍ／ｍｉｎ以下、１パスの圧延率を１０％以下とすることが有効である。しかし、本発明の結晶配向が達成できる製造工程であれば、必ずしも、この製造工程のみに限定する必要はない。一連の加工において、鍛造・圧延で鋳造組織を破壊するとともに、再結晶化を十分に行うという条件設定が有効である。
さらに、溶解鋳造したタンタルインゴット又はビレットに鍛造し、圧延等の加工を加えた後は、再結晶焼鈍し、組織を微細かつ均一化するのが望ましい。
次に、実施例に基づいて本発明を説明する。以下に示す実施例は、理解を容易にするためのものであり、これらの実施例によって本発明を制限するものではない。すなわち、本発明の技術思想に基づく変形及び他の実施例は、当然本発明に含まれる。
純度９９．９９５％のタンタル原料を電子ビーム溶解し、これを鋳造して直径１９５ｍｍφのインゴットとした。次に、このインゴットを室温で締め鍛造して直径１５０ｍｍφとし、これを１１００〜１４００℃の温度で再結晶焼鈍した。
再度、これを室温で鍛伸−据え込み鍛造を繰り返して厚さ１００ｍｍ、直径１５０ｍｍφとし（一次鍛造）、これを再結晶温度〜１４００℃の温度で再結晶焼鈍した。さらに、これを室温で鍛伸−据え込み鍛造を繰り返して厚さ７０〜１００ｍｍ、直径１５０〜１８５ｍｍφとし（二次鍛造）、これを再結晶温度〜１４００℃の温度で再結晶焼鈍して、ターゲット素材を得た。
（実施例１）
実施例１では、得られたターゲット素材を、圧延ロール径４００ｍｍの圧延ロールを用いて、圧延速度１０ｍ／ｍｉｎ、圧延率８６％、１パスの最大圧下率を１０％として冷間圧延して厚さ１４ｍｍ、直径５２０ｍｍφとし、これを１０００℃の温度で熱処理した。その後、表面を切削、研磨してターゲットとした。
以上の工程により、（１００）面の配向率が３０％、（１１１）面の配向率が５０％の結晶組織を有するタンタルスパッタリングターゲットを得ることができた。このスパッタリングターゲットを使用して、スパッタリングを実施した。
次に、ターゲットのエロ―ジョン最深部厚みが８ｍｍ程度となった時点で、スパッタリングを一時停止し、スパッタリング装置（真空容器）内に窒素ガスを６０秒間導入した。これによって、ターゲットの表面に、厚みが２００Å程度の窒化膜を形成した。
次に、スパッタリング装置を大気に解放し、内部の機器の交換又は洗浄を実施した。この後、再度スパッタリング装置を密閉し、スパッタリングを再開した。バーンインは７５ｋｗｈと電力量は少なく、短時間でスパッタリングが可能となり、かつスパッタリング後の膜の抵抗変動は１４％となり、膜特性の変化は少なかった。
タンタル膜の成膜は、下記の条件で行った（以下の実施例、比較例も同様とした）。
＜成膜条件＞
電源：直流方式
電力：１５ｋＷ
到達真空度：５×１０-８Ｔｏｒｒ
雰囲気ガス組成：Ａｒ
スパッタガス圧：５×１０-３Ｔｏｒｒ
スパッタ時間：１５秒
（実施例２）
実施例２では、得られたターゲット素材を、圧延ロール径４００ｍｍの圧延ロールを用いて、圧延速度８ｍ／ｍｉｎ、圧延率８８％、１パスの最大圧下率を１０％として冷間圧延して厚さ１４ｍｍ、直径５２０ｍｍφとし、これを９００℃の温度で熱処理した。その後、表面を切削、研磨してターゲットとした。
以上の工程により、（１００）面の配向率が５０％、（１１１）面の配向率が２０％の結晶組織を有するタンタルスパッタリングターゲットを得ることができた。このスパッタリングターゲットを使用して、スパッタリングを実施した。
次に、ターゲットのエロ―ジョン最深部厚みが８ｍｍ程度となった時点で、スパッタリングを一時停止し、スパッタリング装置（真空容器）内に窒素ガスを６０秒間導入した。これによって、ターゲットの表面に、厚みが３２０Å程度の窒化膜を形成した。
次に、スパッタリング装置を大気に解放し、内部の機器の交換又は洗浄を実施した。この後、再度スパッタリング装置を密閉し、スパッタリングを再開した。バーンインは５０ｋｗｈと電力量は少なく、短時間でスパッタリングが可能となり、かつスパッタリング後の膜の抵抗変動は１０％となり、膜特性の変化は少なかった。
（実施例３）
実施例３では、得られたターゲット素材を、圧延ロール径４００ｍｍの圧延ロールを用いて、圧延速度５ｍ／ｍｉｎ、圧延率８５％、１パスの最大圧下率を１０％として冷間圧延して厚さ１４ｍｍ、直径５２０ｍｍφとし、これを１１００℃の温度で熱処理した。その後、表面を切削、研磨してターゲットとした。
以上の工程により、（１００）面の配向率が７０％、（１１１）面の配向率が１５％の結晶組織を有するタンタルスパッタリングターゲットを得ることができた。このスパッタリングターゲットを使用して、スパッタリングを実施した。
次に、ターゲットのエロ―ジョン最深部厚みが８ｍｍ程度となった時点で、スパッタリングを一時停止し、スパッタリング装置（真空容器）内に窒素ガスを６０秒間導入した。これによって、ターゲットの表面に、厚みが４５０Å程度の窒化膜を形成した。
次に、スパッタリング装置を大気に解放し、内部の機器の交換又は洗浄を実施した。この後、再度スパッタリング装置を密閉し、スパッタリングを再開した。バーンインは３５ｋｗｈと電力量は少なく、短時間でスパッタリングが可能となり、かつスパッタリング後の膜の抵抗変動は７％となり、膜特性の変化は少なかった。
（実施例４）
実施例４では、得られたターゲット素材を、圧延ロール径５００ｍｍの圧延ロールを用いて、圧延速度５ｍ／ｍｉｎ、圧延率９０％、１パスの最大圧下率を５％として、冷間圧延して厚さ１４ｍｍ、直径５２０ｍｍφとし、これを８００℃の温度で熱処理した。その後、表面を切削、研磨してターゲットとした。
以上の工程により、（１００）面の配向率が９０％、（１１１）面の配向率が５％の結晶組織を有するタンタルスパッタリングターゲットを得ることができた。このスパッタリングターゲットを使用して、スパッタリングを実施した。
次に、ターゲットのエロ―ジョン最深部厚みが８ｍｍ程度となった時点で、スパッタリングを一時停止し、スパッタリング装置（真空容器）内に窒素ガスを６０秒間導入した。これによって、ターゲットの表面に、厚みが５００Å程度の窒化膜を形成した。
次に、スパッタリング装置を大気に解放し、内部の機器の交換又は洗浄を実施した。この後、再度スパッタリング装置を密閉し、スパッタリングを再開した。バーンインは２５ｋｗｈと電力量は少なく、短時間でスパッタリングが可能となり、かつスパッタリング後の膜の抵抗変動は５％となり、膜特性の変化は少なかった。
（比較例１）
比較例１では、得られたターゲット素材を、圧延ロール径４００ｍｍの圧延ロールを用いて、圧延速度５ｍ／ｍｉｎ、圧延率８５％、１パスの最大圧下率を１０％として、冷間圧延して厚さ１４ｍｍ、直径５２０ｍｍφとし、これを１１００℃の温度で熱処理した。その後、表面を切削、研磨してターゲットとした。
以上の工程により、（１００）面の配向率が７０％、（１１１）面の配向率が１５％の結晶組織を有するタンタルスパッタリングターゲットを得ることができた。このスパッタリングターゲットを使用して、スパッタリングを実施した。
次に、ターゲットのエロ―ジョン最深部厚みが８ｍｍ程度となった時点で、スパッタリングを一時停止し、スパッタリング装置を大気に解放し、内部の機器の交換又は洗浄を実施した。この後、再度スパッタリング装置を密閉し、スパッタリングを再開した。バーンインは３００ｋｗｈと電力量は少なく、短時間でスパッタリングが可能となり、かつスパッタリング後の膜の抵抗変動は３５％となり、膜特性の変化が最も大きくなった。これは、窒化膜が形成されておらず、酸化が急速に進んだことが原因と考えられた。
（比較例２）
比較例２では、得られたターゲット素材を、圧延ロール径５００ｍｍの圧延ロールを用いて、圧延速度１５ｍ／ｍｉｎ、圧延率７８％、１パスの最大圧下率を１５％として、冷間圧延して厚さ１４ｍｍ、直径５２０ｍｍφとし、これを８００℃の温度で熱処理した。その後、表面を切削、研磨してターゲットとした。
以上の工程により、（１００）面の配向率が２０％、（１１１）面の配向率が６０％の結晶組織を有するタンタルスパッタリングターゲットを得ることができた。なお、この結晶配向は、本願発明から逸脱するものである。このスパッタリングターゲットを使用して、スパッタリングを実施した。
次に、ターゲットのエロ―ジョン最深部厚みが８ｍｍ程度となった時点で、スパッタリングを一時停止し、スパッタリング装置（真空容器）内に窒素ガスを６０秒間導入した。これによって、ターゲットの表面に、厚みが１５０Å程度の窒化膜を形成した。
次に、スパッタリング装置を大気に解放し、内部の機器の交換又は洗浄を実施した。この後、再度スパッタリング装置を密閉し、スパッタリングを再開した。バーンインは２７５ｋｗｈと電力量が増加し、定常のスパッタリングとなるまで長時間を要した。またスパッタリング後の膜の抵抗変動は３２％となり、膜特性の変化が大きくなり、好ましくない結果となった。これは、結晶配向率が適切でないことが原因と考えられた。
（比較例３）
比較例３では、得られたターゲット素材を、圧延ロール径４００ｍｍの圧延ロールを用いて、圧延速度５ｍ／ｍｉｎ、圧延率８５％、１パスの最大圧下率を１０％として、冷間圧延して厚さ１４ｍｍ、直径５２０ｍｍφとし、これを１１００℃の温度で熱処理した。その後、表面を切削、研磨してターゲットとした。
以上の工程により、（１００）面の配向率が７０％、（１１１）面の配向率が１５％の結晶組織を有するタンタルスパッタリングターゲットを得ることができた。このスパッタリングターゲットを使用して、スパッタリングを実施した。
次に、ターゲットのエロ―ジョン最深部厚みが８ｍｍ程度となった時点で、スパッタリングを一時停止し、スパッタリング装置（真空容器）内に窒素ガスを３０秒間導入した。これによって、ターゲットの表面に、厚みが１５０Å程度の窒化膜を形成した。
次に、スパッタリング装置を大気に解放し、内部の機器の交換又は洗浄を実施した。この後、再度スパッタリング装置を密閉し、スパッタリングを再開した。バーンインは１０５ｋｗｈと電力量が増加した。定常のスパッタリングが可能となるまで長時間を要した。またスパッタリング後の膜の抵抗変動は２４％となり、膜特性の変化も大きくなった。これは、窒化膜形成のための窒素フロー時間が不十分であったことが原因と考えられた。
以上の実施例及び比較例が示すように、本願発明の条件の範囲にあるものは、タンタルターゲットの成膜特性及び成膜速度を安定化させ、かつバーンイン時間も短縮でき、時間と電力の浪費及び材料（成膜）特性を良好にすることができた。また、放電電圧のバラツキを低く抑えることができ、さらに放電異常発生率を低減できるという優れた効果を有する。
本発明は、タンタルスパッタリングターゲットを提供するものであり、ターゲットのスパッタ面における結晶配向を制御することによって、タンタルターゲット表面への窒化膜の形成を容易にすることができる。これによって、ターゲットの使用の途中で、スパッタリング装置（真空機器）を解放し、汚染された機器を交換して、再度スパッタリングを開始するという手法を採る際に、タンタルターゲットの活性化した表面が大気に暴露された場合でも、強固な酸化膜の形成を抑制し、成膜特性及び成膜速度を安定化させ、かつバーンイン時間も短縮でき、時間と電力の浪費及び材料（成膜）特性を良好にすることができる。この結果、ターゲットの厚みを増加させることができ、ターゲットの使用積算時間を増加させ、かつターゲットを、より長く使用することができるので、ターゲットの使用コストの低減化に極めて有効である。これによって、Ｔａ膜又はＴａＮ膜などからなる拡散バリア層の形成に有用な、効率的なタンタルスパッタリングターゲットを提供できる。
上記の課題を解決するために、本発明は、以下の発明を提供するものである。
１）タンタルスパッタリングターゲットのスパッタ面の（１００）面の配向率が３０〜９０％であり、（１１１）面の配向率が５０％以下であることを特徴とするタンタルスパッタリングターゲット。
２）タンタルスパッタリングターゲットのスパッタ面に窒化膜を備えることを特徴とする上記１）に記載のタンタルスパッタリングターゲット。
３）窒化膜の厚さが２００Å以上であることを特徴とする上記２）に記載のタンタルスパッタリングターゲット。
４）上記１）〜３）のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲットを用いて形成した拡散バリア層用薄膜。
５）スパッタリング膜の抵抗変動が１５％以下であることを特徴とする上記４）に記載の拡散バリア層用薄膜。
６）１００ｋｗｈ以下の、バーンイン積算電力量であることを特徴とする上記４）〜５）のいずれか一項に記載の拡散バリア層用薄膜。
７）上記４）〜６）のいずれか一項に記載の拡散バリア層用薄膜を有する半導体デバイス。
上記の課題を解決するために、本発明は、以下の発明を提供するものである。
１）タンタルスパッタリングターゲットのスパッタ面の（１００）面の配向率が３０〜９０％であり、（１１１）面の配向率が５０％以下であることを特徴とするタンタルスパッタリングターゲット。
２）タンタルスパッタリングターゲットのスパッタ面に窒化膜を備えることを特徴とする上記１）に記載のタンタルスパッタリングターゲット。
３）窒化膜の厚さが２００Å以上であることを特徴とする上記２）に記載のタンタルスパッタリングターゲット。
また、本発明は、以下の発明を提供するものである。
４）溶解鋳造したタンタルインゴットを、鍛造及び再結晶焼鈍した後、圧延及び熱処理し、タンタルスパッタリングターゲットの（１００）面の配向率が３０〜９０％であり、（１１１）面の配向率が５０％以下である結晶組織を形成することを特徴とするタンタルスパッタリングターゲットの製造方法。
５）スパッタリングの再使用を予定するターゲットに対し、スパッタリング操作を一時的に停止し、真空容器を大気解放する前に、当該ターゲットの表面に窒素ガスを供給して、窒化膜を形成することを特徴とする上記４）記載のタンタルスパッタリングターゲットの製造方法。
６）窒化膜の厚さが２００Å以上である上記５）に記載のタンタルスパッタリングターゲットの製造方法。


Claims (10)

  1. タンタルスパッタリングターゲットのスパッタ面の（１００）面の配向率が３０〜９０％であり、（１１１）面の配向率が５０％以下であることを特徴とするタンタルスパッタリングターゲット。
  2. タンタルスパッタリングターゲットのスパッタ面に窒化膜を備え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リングターゲット。
  3. 窒化膜の厚さが２００Å以上であることを特徴とする請求項２に記載のタンタルスパッタリングターゲット。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲットを用いて形成した拡散バリア層用薄膜。
  5. スパッタリング膜の抵抗変動が１５％以下であることを特徴とする請求項４に記載のスパッタリングターゲットを用いて形成された拡散バリア層用薄膜。
  6. １００ｋｗｈ以下の、バーンイン積算電力量であることを特徴とする請求項４〜５のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲットを用いて形成した拡散バリア層用薄膜。
  7. 請求項４〜６のいずれか一項に記載の拡散バリア層用薄膜を有する半導体デバイス。
  8. 溶解鋳造したタンタルインゴットを、鍛造及び再結晶焼鈍した後、圧延及び熱処理し、タンタルスパッタリングターゲットの（１００）面の配向率が３０〜９０％であり、（１１１）面の配向率が５０％以下である結晶組織を形成することを特徴とするタンタルスパッタリングターゲットの製造方法。
  9. スパッタリングの再使用を予定するターゲットに対し、スパッタリング操作を一時的に停止し、真空容器を大気解放する前に、当該ターゲットの表面に窒素ガスを供給して、窒化膜を形成することを特徴とする請求項８記載のタンタルスパッタリングターゲットの製造方法。
  10. 窒化膜の厚さが２００Å以上である請求項９に記載のタンタルスパッタリングターゲットの製造方法。
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