JPWO2016052348A1 - コバルトスパッタリングターゲット - Google Patents

Abstract

【要約書】純度が９９．９９％〜９９．９９９％であり、Ｓｉ含有量が１ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とするＣｏスパッタリングターゲット。コバルト中のＳｉ含有量を低減することにより、反応性の高いシリサイド化を抑えて、バリア性及び密着性を向上させることができる、Ｃｏスパッタリングターゲットを提供することを課題とする。【選択図】なし

Description

本発明は、先端半導体デバイスのＣｕ配線構造におけるキャップ層やバリア層等を形成するのに有用な、コバルトスパッタリングターゲットに関する。

従来、半導体デバイスのＣｕ配線構造においては、Ｃｕが絶縁膜中に拡散するのを防止するために、Ｃｕ配線側面にＴａ／ＴａＮのバリア層を形成したり、Ｃｕ配線上部にＳｉ系のキャップ層を形成したりすることが行われていた。しかし、半導体デバイスの微細化に伴って、膜特性の要求が格段に厳しくなっており、これまで材料では所望の特性を十分に満たすことができないという問題が生じていた。中でも、バリア層やキャップ層は均一であると共に、十分なバリア性と密着性を有することが求められている。

その対策の一つとして、従来のＴａ／ＴａＮバリア層からＴａＮ／ＣＶＤ−Ｃｏバリア層への変更が有力視されているが、ＣＶＤ（化学蒸着法）は、前駆体ガスの残渣や下地膜の酸化などの問題を十分に払拭できないため、ＣＶＤ−Ｃｏの技術を採用することは容易ではなかった。したがって、安定的な成膜が可能であると共に、反応性スパッタ、逆スパッタなどの手法を駆使して、極薄かつ均一な成膜を可能なＰＶＤ（物理上蒸着法）により成膜することが望まれており、精力的な開発が続いている。

これまで、ゲート電極用サリサイド膜の形成に高純度コバルトターゲットが用いられていたが（特許文献１〜２参照）、バリア層はＣｕ配線とＴａ膜などの間に使用されるのでその要求特性はゲート電極用とは大きく異なる。中でもゲート電極用ではＰｏｌｙ−Ｓｉとの反応生成物であるＣｏＳｉ_２が必要とされていたが、バリア層用では、Ｓｉがより安定な珪化物を形成しやすいＴａ中に拡散して、バリア特性の劣化させることがあった。また、Ｃｕ配線側にＳｉが拡散した場合には、銅珪化物を生成して脆性が高くなり、密着性低下などの問題を生じた。

一方、Ｃｕ配線の上部にキャップ層として配される厚膜Ｃｏは、ＣＶＤにより形成されていたが、ＣＶＤには前述の問題があるため、ＰＶＤによる成膜が望まれていた。このキャップ層は、ゲート用途やバリア用途に比べて厚膜であるため、ターゲットの使用量が多いにも関わらず、磁気特性によるスパッタ性能の低下が問題となり、ターゲット厚みが３ｍｍ以上のものは作製することが困難であり、ターゲットの交換頻度の増加に伴う、装置の停止に起因するコストの増加も問題となっていた。

なお、特許文献３〜６には、強磁性材のコバルトからなるスパッタリングターゲットにおいて、その表面における漏洩磁束を改良することで、スパッタ効率を高めることが開示されている。しかしながら、上記いずれの文献にも、ターゲットの厚みと高い漏洩磁束を両立させることについての教示はなく、また、半導体デバイスにおける一般的な不純物（遷移金属、アルカリ金属など）を低減させることについて記載されているが、Ｓｉを不純物として認識し、これを格別低減させようとする試みもなかった。

特開平９−２７２９７０号公報 特開２００７−２９７６７９号公報 特開２００１−２００３５６号公報 特開２００３−３０６７５１号公報 特表２００１−５１４３２５号公報 特表２００５−５２８５２５号公報

本発明は、コバルト中のＳｉ含有量を低減することにより、反応性の高いシリサイド化を抑えて、バリア性及び密着性を向上させることができると共に、ターゲット組織を適切に制御することで、ターゲット厚みが厚くなっても高ＰＴＦを得ることができ、プラズマを安定化した高速成膜が可能となるので、厚膜が必要とされるライナーやキャップ層などの形成に有用なコバルトスパッタリングターゲットを提供することを課題とする。

上記の課題に鑑みて、本発明は、以下を提供する。
１）純度が９９．９９％〜９９．９９９％であり、Ｓｉ含有量が１ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とするＣｏスパッタリングターゲット。
２）ターゲットの厚みが４ｍｍ〜１５ｍｍであり、ターゲットの厚みをＴ（ｍｍ）、ＰＴＦ値（％）をＰとしたとき、ターゲットの厚みとＰＴＦ値とが、（Ｐ−８０）／Ｔ≧−２．５の関係式を満たすことを特徴とする上記１）記載のＣｏスパッタリングターゲット。

本発明は、ターゲット中のＳｉ含有量を低減することにより、反応性の高いシリサイド化を抑えて、バリア性及び密着性を向上させることができると共に、ターゲットの組織を改変することで、磁化容易軸をスパッタ面に対して効果的に配向させることができ、安定した高速成膜が可能であるという優れた効果を有する。

本発明のＣｏスパッタリングターゲットは、純度が９９．９９％（４Ｎ）以上９９．９９９％（５Ｎ）以下（重量比）であって、Ｓｉ含有量が１ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする。Ｓｉ含有量は、好ましくは０．５ｗｔｐｐｍ以下、さらに好ましくは、０．１ｗｔｐｐｍ以下とする。Ｃｏターゲット中のＳｉ含有量を低減することにより、成膜したバリア層やキャップ層において反応性の高いシリサイド化を抑制して、バリア性、密着性、さらに配線抵抗を改善することが可能となる。一方、ターゲットの純度が高いほど不純物によるデバイス性能の劣化を防止できるので好ましいが、純度が５Ｎを超えると、精製コストが高くなるため好ましくない。したがって、純度が４Ｎ〜５ＮのＣｏターゲットにおいて、不純物として特にＳｉに着目して、その含有量の低減を図ることを特徴とする。

また、本発明のＣｏスパッタリングターゲットは、ターゲットの厚みが４ｍｍ〜１５ｍｍであり、ターゲットの厚みをＴ（ｍｍ）、ＰＴＦ値（％）をＰとしたとき、ターゲットの厚みとＰＴＦ値とが、（Ｐ−８０）／Ｔ≧−２．５の関係式を満たすことを特徴とする。Ｃｏターゲットは磁気特性によるスパッタ性能の悪化が問題となっており、従来、厚みが３ｍｍ以上のＣｏターゲットを作製することが困難であったが、ターゲットの配向を制御することにより、このような厚肉のターゲットであっても、漏れ磁束（ＰＴＦ）を大きくすることができ、これにより、スパッタリングによる成膜速度を向上することができる。

一般にターゲットの厚みとＰＴＦ値とは線形関係を有しており、例えばターゲットの配向を制御しない場合には、その関係式は、（Ｐ−８０）／Ｔ＝−１０．０程度となる。しかし、このような関係式を満たすターゲットは、厚みが３ｍｍ以下であれば、高速成膜が可能であるが、厚みが増すと十分な漏れ磁束が得られず、スパッタの効率は格段に低下する。したがって、上記の特徴を有する本発明のＣｏターゲットは、キャップ層等の厚膜を形成する場合、スパッタ効率の観点から特に有効である。

ＰＴＦ（Ｐａｓｓ−Ｔｈｒｏｕｇｈ−Ｆｌｕｘ）の測定方法は、ＡＳＴＭ Ｆ２０８６−０１に基づいて行う。まず、プラスチックや非磁性金属（例えばアルミニウムなど）によって、測定物（ターゲット）を積載するための台座と、その下に配置する永久磁石を固定するための治具を作製し、磁束密度測定用のホールプローブをターゲット上空で保持し、かつターゲット面内方向に移動させることのできる支持台を同じくプラスチックなど磁束に影響を与えない材質で作製する。永久磁石として、馬蹄形磁石（鋳造アルニコ５磁石、幅１００ｍｍ、高さ８５ｍｍ）を準備し、固定治具にセットする。
次に、測定治具に磁石とホールプローブを取り付けて固定し、ホールプローブにガウスメーターを接続する。測定物（ターゲット）と同厚みのプラスチック製参照板をテーブルに設置し、ホールプローブを取り付けた支持台を疑似ターゲットの面上で移動し、永久磁石の磁束密度が最大となる位置を探索し、この位置で測定された磁場をＲｅｆｅｒｅｎｎｃｅ ｆｉｅｌｄとする。

参照板に代えて被測定ターゲットをテーブルの上に設置し、その上に先ほど高さ調整を行った、支持台に固定されたホールプローブを測定位置に載せる。その後、測定したい位置の下部に永久磁石を移動し、それに伴ってホールプローブも移動し、最大磁束密度を記録する作業を繰り返す。測定位置は直交する２本の直径線と、ターゲットの直径の半分を直径とする円周、および外周から１５ｍｍ内側に入った円周とが交差する合計９点の位置で測定をする。そして、測定したこれらの値を、先ほどのＲｅｆｅｒｅｎｎｃｅ ｆｉｅｌｄの値で割って１００を掛けた値を漏れ磁束密度（％）とし、９点の平均をそのターゲットのＰＴＦ（漏れ磁束密度）（％）とする。

本発明のＣｏスパッタリングターゲットは、以下のようにして作製することができる。
純度９９．９９％以上のコバルトを溶解、鋳造してインゴットとした後、これを１０００℃以上１２００℃以下（好ましくは１１００℃以上１２００℃以下）の範囲の温度域で、かつ、炉内の温度分布を±１０℃以内に一定に保持した炉内で加熱した後、熱間鍛造する。その後、これを１０００℃以上１２００℃以下（好ましくは１１００℃以上１２００℃以下）の範囲の温度域で、かつ、炉内の温度分布を±１０℃以内に一定に保持した炉内で加熱した後、５０％以上の圧下率で熱間圧延する。さらに、これを２５０℃以上４５０℃以下（好ましくは３５０℃以上４５０℃以下）の温度域で、かつ、炉内の温度分布を±１０℃以内に一定に保持した炉内で加熱した後、３０％以上の圧下率で温間圧延し、その後、これを２００℃以上４００℃以下の温度域で、かつ、炉内の温度分布を±１０℃以内に一定に保持した炉内で、１０時間以上２０時間以下で加熱保持する。そして、これを切削、研磨等の機械加工を施して、スパッタリングターゲット形状に加工する。以上により、所望の配向からなるＣｏスパッタリングターゲットが得られる。

次に、具体的な実施例（実験例）について説明する。この場合、比較となる例も示す。なお、この実施例は、本願発明で規定する範囲ではあるが、理解を容易にするために、特定の条件で実施された例である。したがって、発明は、以下の例に限定されることなく、本願発明の技術思想に基づいた、変形が可能であることは言うまでも無い。本願発明は、これらを全て包含するものである。

（実施例１）
電子ビーム溶解により得られた、純度９９．９９８％（Ｓｉ含有量：０．９ｗｔｐｐｍ）コバルトインゴットを１０００℃で熱間鍛造した後、これを１０００℃、圧下率６５％で熱間圧延した。次に、これを２５０℃、圧下率４５％で温間圧延した後、さらに、２５０℃、１０時間で加熱保持した。このようにして得られた厚さ４ｍｍのコバルト板材を機械加工して、コバルトスパッタリングターゲットを作製した。

このようにして作製した円形のコバルトスパッタリングターゲットについて、圧延面（すなわちスパッタ面となる面）に対して、平行な方向の漏れ磁束（ＰＴＦ）を、面内９点（中心１点、直交する２本の直径線とターゲットの直径の半分を直径とする円周との交点４点、前記直径線と外周から１５ｍｍ内側の円周との交点４点）測定し、その平均値を求めた。その結果、この表１に示すように、ＰＴＦ値は平均７５％であり、関係式：（Ｐ−８０）／Ｔ＝−１．２５と、肉厚のターゲットであっても漏れ磁束が大きいため、スパッタリングによる高速成膜が可能であった。

（実施例２）
電子ビーム溶解により得られた、純度９９．９９８％（Ｓｉ含有量：０．４ｗｔｐｐｍ）コバルトインゴットを１１００℃で熱間鍛造した後、これを１１００℃、圧下率６０％で熱間圧延した。次に、これを３５０℃、圧下率４０％で温間圧延した後、さらに、３００℃、１５時間で加熱保持した。このようにして得られた厚さ９ｍｍのコバルト板材を機械加工して、コバルトスパッタリングターゲットを作製した。

このようにして作製した円形のコバルトスパッタリングターゲットについて、実施例１と同様に、圧延面（すなわちスパッタ面となる面）に対して、平行な方向の漏れ磁束（ＰＴＦ）を測定し、その平均値を求めた。その結果、この表１に示すようにＰＴＦ値は平均６３．６％であり、関係式：（Ｐ−８０）／Ｔ＝−１．８２と、肉厚のターゲットであっても漏れ磁束が大きいため、スパッタリングによる高速成膜が可能であった。

（実施例３）
電子ビーム溶解により得られた、純度９９．９９８％（Ｓｉ含有量：０．０８ｗｔｐｐｍ）コバルトインゴットを１２００℃で熱間鍛造した後、これを１２００℃、圧下率５０％で熱間圧延した。次に、これを４５０℃、圧下率３０％で温間圧延した後、さらに、４００℃、２０時間で加熱保持した。このようにして得られた厚さ１２．７ｍｍのコバルト板材を機械加工して、コバルトスパッタリングターゲットを作製した。

このようにして作製した円形のコバルトスパッタリングターゲットについて、実施例１と同様に、圧延面（すなわちスパッタ面となる面）に対して、平行な方向の漏れ磁束（ＰＴＦ）を測定し、その平均値を求めた。その結果、この表１に示すようにＰＴＦ値は平均５０％であり、関係式：（Ｐ−８０）／Ｔ＝−１．９７と、肉厚のターゲットであっても漏れ磁束が大きいため、スパッタリングによる高速成膜が可能であった。

（比較例１）
電子ビーム溶解により得られた、純度９９．９９８％（Ｓｉ含有量：０．１ｗｔｐｐｍ）コバルトインゴットを１２５０℃で熱間鍛造した後、これを１１００℃、圧下率８０％で熱間圧延した。次に、これを５００℃、２時間で熱処理した。このようにして得られた厚さ４ｍｍのコバルト板材を機械加工して、コバルトスパッタリングターゲットを作製した。

このようにして作製した円形のコバルトスパッタリングターゲットについて、実施例１と同様に、圧延面（すなわちスパッタ面となる面）に対して、平行な方向の漏れ磁束（ＰＴＦ）を測定し、その平均値を求めた。その結果、この表１に示すようにＰＴＦ値は平均３５％であり、関係式：（Ｐ−８０）／Ｔ＝−１１．２５と、漏れ磁束が十分でないため、スパッタリングによる高速成膜が困難であった。

（比較例２）
電子ビーム溶解により得られた、純度９９．９９８％（Ｓｉ含有量：３．２ｗｔｐｐｍ）コバルトインゴットを１１００℃で熱間鍛造した後、これを１０００℃、圧下率６０％で熱間圧延した。次に、これを５００℃、圧下率４０％で温間圧延した後、さらに、４００℃、１５時間で加熱保持した。このようにして得られた厚さ４ｍｍのコバルト板材を機械加工して、コバルトスパッタリングターゲットを作製した。

このようにして作製した円形のコバルトスパッタリングターゲットについて、実施例１と同様に、圧延面（すなわちスパッタ面となる面）に対して、平行な方向の漏れ磁束（ＰＴＦ）を測定し、その平均値を求めた。その結果、この表１に示すようにＰＴＦ値は平均６９．５％であり、関係式：（Ｐ−８０）／Ｔ＝−２．６３と、漏れ磁束が十分でないため、スパッタリングによる高速成膜は困難であった。

（比較例３）
電子ビーム溶解により得られた、純度９９．９９８％（Ｓｉ含有量：１．２ｗｔｐｐｍ）コバルトインゴットを１２５０℃で熱間鍛造した後、これを１２５０℃、圧下率６０％で熱間圧延した。次に、これを５００℃、圧下率４０％で温間圧延した後、さらに、３００℃、１５時間で加熱保持した。このようにして得られた厚さ９ｍｍのコバルト板材を機械加工して、コバルトスパッタリングターゲットを作製した。

このようにして作製した円形のコバルトスパッタリングターゲットについて、実施例１と同様に、圧延面（すなわちスパッタ面となる面）に対して、平行な方向の漏れ磁束（ＰＴＦ）を測定し、その平均値を求めた。その結果、この表１に示すようにＰＴＦ値は平均５０％であり、関係式：（Ｐ−８０）／Ｔ＝−３．３３と、漏れ磁束が十分でないため、スパッタリングによる高速成膜は困難であった。

Ｓｉ含有量を低減することにより、反応性の高いシリサイド化を抑えて、バリア性や密着性を向上させることができると共に、磁化容易軸をスパッタ面に対して効果的に配向させることで、安定した高速成膜が可能であるので、半導体デバイスの配線構造を形成するためのコバルトスパッタリングターゲットとして有用である。

Claims (2)

1. 純度が９９．９９％〜９９．９９９％であり、Ｓｉ含有量が１ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とするＣｏスパッタリングターゲット。
2. ターゲットの厚みが４ｍｍ〜１５ｍｍであり、ターゲットの厚みをＴ（ｍｍ）、ＰＴＦ値（％）をＰとしたとき、ターゲットの厚みとＰＴＦ値が（Ｐ−８０）／Ｔ≧−２．５の関係式を満たすことを特徴とする請求項１記載のＣｏスパッタリングターゲット。