KR102074047B1

KR102074047B1 - 탄탈 스퍼터링 타깃 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR102074047B1
Application number: KR1020177029390A
Authority: KR
Inventors: 고타로 나가츠; 신이치로 센다
Original assignee: 제이엑스금속주식회사
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2016-05-17
Publication date: 2020-02-05
Also published as: EP3260572A4; CN107532287A; EP3260572A1; US10570505B2; JP6293928B2; IL255349B; TW201704493A; US20180105926A1; JPWO2016190159A1; IL255349A0; SG11201708112TA; KR20170127548A; WO2016190159A1; CN107532287B; TWI676691B

Abstract

후방 산란 전자 회절법을 사용하여 타깃의 스퍼터면에 대하여 수직의 단면인 압연면 법선 방향 : ND 를 관찰하였을 때, {111} 면이 ND 로 배향하고 있는 결정립의 면적률이 35 ％ 이상인 탄탈 스퍼터링 타깃. 본 발명은, 하이 파워 스퍼터 상황하에 있어서, 스퍼터 물질의 직진성을 증대시킴으로써, 웨이퍼면 상에 스퍼터 물질을 균일하게 성막하는 것이 가능한 탄탈 스퍼터링 타깃을 제공하는 것을 과제로 한다. 이와 같은 탄탈 타깃을 사용하여 스퍼터한 경우, 미세 배선에 있어서도, 막두께의 균일성과 성막의 스루풋을 향상시킬 수 있다.

Description

탄탈 스퍼터링 타깃 및 그 제조 방법{TANTALUM SPUTTERING TARGET, AND PRODUCTION METHOD THEREFOR}

본 발명은, 반도체 집적 회로의 배선에 있어서의 배리어 시드층의 형성에 적합한 탄탈 스퍼터링 타깃에 관한 것으로서, 특히 스퍼터 물질의 직진성을 증대시킴으로써, 하이 파워 스퍼터링 상황하에 있어서도, 양호한 막두께 균일성을 실현할 수 있는 탄탈 스퍼터링 타깃 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일렉트로닉스 분야, 내식성 재료나 장식의 분야, 촉매 분야, 절삭·연마재나 내마모성 재료의 제작 등, 많은 분야에 금속이나 세라믹스 재료 등의 피막을 형성하는 스퍼터링법이 사용되고 있다. 스퍼터링법 자체는 상기 분야에서 잘 알려진 방법이지만, 최근에는, 특히 일렉트로닉스의 분야에 있어서, 복잡한 형상의 피막의 형성이나 회로의 형성에 적합한 탄탈 스퍼터링 타깃이 요구되고 있다.

일반적으로, 이 탄탈 타깃은, 탄탈 원료를 전자빔 용해·주조한 잉곳 또는 빌릿의 단조, 어닐링 (열처리) 을 실시하고, 추가로 압연 및 마무리 (기계, 연마 등) 가공하여 타깃으로 가공되고 있다. 이와 같은 제조 공정에 있어서, 용해 주조된 잉곳 또는 빌릿은, 단조와 재결정 어닐링에 의해, 주조 조직이 파괴되고, 균일하고 또한 미세한 결정립이 얻어진다.

스퍼터링을 실시하는 경우, 타깃의 결정립이 미세하고 또한 균일할수록, 균일한 성막이 가능하고, 안정적인 특성을 갖는 막을 얻을 수 있다. 또, 성막의 균일성을 개선하기 위해, 타깃의 두께 방향 전체에 걸쳐 결정 방위를 가지런히 하는 것도 유효하다. 또한, 탄탈 스퍼터링 타깃에 관해서는, 이하의 선행 기술이 알려져 있다 (특허문헌 1 ∼ 11).

최근, 스퍼터링의 성막 속도를 높이기 위해 마그네트론 스퍼터 장치를 사용한 하이 파워 스퍼터가 실시되고 있다. 한편, 하이 파워 스퍼터에서는, 타깃으로부터 방출되는 물질의 방향 제어가 곤란하고, 미세화의 일로를 걷고 있는 반도체 집적 회로의 배선에 있어서, 웨이퍼면 상에 스퍼터 물질을 균질하게 성막하는 것이 곤란하며, 특히 애스펙트비가 큰 배선공에 매립을 실시하는 경우, 그 문제가 현저하였다.

일본 공개특허공보 2004-107758호 WO2006/117949호 공보 일본 공개특허공보 평11-80942호 일본 공개특허공보 2004-162117호 WO2004/090193호 공보 WO2005/045090호 공보 일본 공표특허공보 2008-532765호 일본 공표특허공보 2007-536431호 일본 공표특허공보 2002-530534호 일본 공개특허공보 2002-363736호 일본 공개특허공보 2001-295035호

본 발명은, 하이 파워 스퍼터 상황하에 있어서, 고속이고 또한 균질한 성막이 가능한 탄탈 스퍼터링 타깃을 제공하는 것을 과제로 한다. 이와 같은 탄탈 타깃을 사용하여 스퍼터 성막한 경우, 미세 배선에 있어서도, 막두께의 균일성이 우수한 박막을 형성할 수 있음과 함께, 박막 형성 프로세스에 있어서의 생산성을 향상시킬 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명자는 예의 연구를 실시한 결과, 압연 방법을 연구하여 탄탈 스퍼터링 타깃의 조직 배향을 소정의 상태로 한 경우, 하이 파워 스퍼터의 상황하에 있어서, 스퍼터 물질의 직진성을 증대시킬 수 있어, 웨이퍼면 상에 스퍼터 물질을 균일하게 성막할 수 있고, 특히 높은 애스펙트비의 미세 배선공에 있어서도, 양호한 매립을 가능하게 함과 함께, 성막의 스루풋을 개선할 수 있다는 지견을 얻었다.

이와 같은 지견에 기초하여, 이하의 발명을 제공한다.

1) 타깃의 스퍼터면에 대하여 수직의 단면인 압연면 법선 방향 : ND 를 후방 산란 전자 회절법을 사용하여 관찰하였을 때, {111} 면이 ND 로 배향하고 있는 결정립의 면적률이 35 ％ 이상인 것을 특징으로 하는 탄탈 스퍼터링 타깃.

2) 타깃의 스퍼터면에 대하여 수직의 단면인 압연면 법선 방향 : ND 를 후방 산란 전자 회절법을 사용하여 관찰하였을 때, {111} 면이 ND 로 배향하고 있는 결정립의 면적률과 {100} 면이 ND 로 배향하고 있는 결정립의 면적률의 비 {111}/{100} 이 2.0 이상인 것을 특징으로 하는 상기 1 에 기재된 탄탈 스퍼터링 타깃.

본 발명은, 탄탈 스퍼터링 타깃에 있어서, 그 조직 배향을 소정의 상태로 함으로써, 하이 파워 스퍼터의 상황하에 있어서, 스퍼터 물질의 직진성을 증대시킬 수 있어, 웨이퍼면 상에 스퍼터 물질을 균일하게 성막할 수 있으므로, 미세 배선에 있어서 성막의 스루풋 향상과 막두께의 균일성을 양립시킬 수 있다. 특히 애스펙트비가 큰 배선공에 균질하게 성막하는 경우에 유효하다.

도 1 은 스퍼터링 타깃의 조직의 관찰 장소를 나타내는 도면이다.
도 2 는 웨이퍼 상에 형성된 막의 시트 저항의 측정 지점을 나타내는 도면이다.
도 3 은 실시예 1 의 타깃의 EBSP 관찰에 의한 결정 방위 분포이다.

본 발명의 스퍼터링 타깃은, 후방 산란 전자 회절법 (EBSP 법) 을 사용하여, 타깃의 스퍼터면에 대하여 수직 단면인 압연면 법선 방향 : ND 를 관찰하였을 때, {111} 면이 ND 로 배향하고 있는 결정립의 면적률을 35 ％ 이상으로 하는 것을 특징으로 한다. 면적률에 대해서는, EBSP 장치 (JSM-7001FTTLS 형 전계 방출 전자 현미경/결정 방위 해석 장치 OIM6.0-CCD/BS) 를 사용하여, 도 1 (우측도) 에 나타내는 바와 같이 스퍼터면에 수직인 단면의 조직 (폭 : 2 ㎜, 높이 : 6.35 ㎜) 에 대해, 도 1 (좌측도) 의 5 개 지점을 관찰하고, {111} 면이 ND 로 배향하고 있는 결정립의 평균의 면적률을 구한다.

체심 입방 구조를 갖는 탄탈은, 원자의 최밀 방향은 ＜111＞ 이며, 스퍼터면과 이 최밀 방향의 관계가 스퍼터 물질의 비래 (飛來) 방향의 제어에 중요해진다. 압연면 법선 방향 (ND) 에 대하여 {111} 면이 배향하고 있는 경우, 최밀 방향이 스퍼터면의 법선 방향과 일치하기 때문에, 스퍼터 물질의 직진성을 증대시킬 수 있다. 또한, {111} 면이 ND 로 배향하고 있는 결정립에는, {111} 면의 압연면 법선 방향 (ND) 에 대한 방위 편차가 15°이내인 결정립을 포함한다. 또, {111} 면을 갖는 결정립의 면적률의 상한값에 특별히 제한은 없지만, 현실적으로는 60 ％ 이상으로 하기는 어렵다.

또, 본 발명은, 후방 산란 전자 회절법 (EBSP 법) 을 사용하여, 타깃의 스퍼터면에 대하여 수직 단면인 압연면 법선 방향 : ND 를 관찰하였을 때, {111} 면이 ND 로 배향하고 있는 결정립의 면적률과 {100} 면이 ND 로 배향하고 있는 결정립의 면적률의 비 {111}/{100} 을 2.0 이상으로 하는 것이 바람직하다. 압연면 법선 방향 (ND) 에 대하여 {100} 면이 배향하고 있는 경우, 스퍼터면의 법선 방향에 대한 최밀 방향의 각도가 커지기 (광각이 되기) 때문에, 이 면의 비율을 낮춤으로써, 더욱 스퍼터 성막의 직진성을 향상시킬 수 있다. 이 {111}/{100} 의 비율이 클수록, 성막 속도를 빠르게 하는 것이 가능해진다. 또, 이유는 확실하지 않지만, 결과적으로 막두께의 균일성이 우수한 성막도 가능해진다. 또한, {100} 면이 ND 로 배향하고 있는 결정립에는, {100} 면의 압연면 법선 방향 (ND) 에 대한 방위 편차가 15°이내인 결정립을 포함한다. 또, {100} 면을 갖는 결정립의 면적률은, 상기 {111} 면을 갖는 결정립의 면적률과 동일한 방법으로 구한다.

또, 본 발명에 있어서, 탄탈 타깃은, 순도가 99.99 ％ 이상인 것이 바람직하다. 타깃 중의 불순물은, 반도체 집적 회로에 있어서 디바이스 특성을 열화시키는 원인이 되므로, 가능한 한 고순도의 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서, 순도 99.99 ％ (4 N) 란, Ta 잉곳을 글로우 방전 질량 분석법 (GDMS) 으로 분석하여, Na, Al, Si, K, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr 의 합계값이 100 ppm 미만인 것을 의미한다.

본 발명의 탄탈 스퍼터링 타깃의 제조 방법은 다음과 같다.

먼저, 탄탈을 용해시키고, 이것을 주조하여 잉곳을 제조한 후, 이 잉곳을 단조한다. 그 후, 잉곳을 드로잉 단조하여 빌릿으로 하고, 이것을 적당한 사이즈로 절단한 후, 열처리를 실시한다. 또한, 1 차 단조, 1 차 열처리하고, 추가로 2 차 단조한 후, 2 분할하여, 2 차 열처리 (바람직하게는 950 ∼ 1100 ℃) 를 실시한다. 상기 공정에 의해, 본 발명은 특별히 제한되는 것이 아니며, 단조 조직의 조정을 위해, 단조 횟수나 열처리의 온도는 적절히 선택하여 실시할 수 있다.

다음으로, 1) 일 방향으로 2 회 이상 연속하여 압연하고, 2) 90 도 회전시켜, 추가로 2 회 이상 연속하여 압연하고, 이것을 1 → 2 → 1 → 2 → … 와 같이 2 세트 이상 반복한 후, 소정의 판두께로 한다. 상기 압연은, 압하율 12 ％ 이상으로 조직 배향을 제어하고, 토탈의 압연율을 85 ％ 이상이 되도록 조정한다. 압연의 패스 횟수가 배향의 제어에 크게 기여하며, 패스 횟수가 많은 쪽이 {100} 배향률을 크게 할 수 있지만, 한편으로, 패스 횟수가 많으면 압연의 공정수가 증가하기 때문에, 이 패스 횟수의 조건을 적절히 조정하는 것이 중요하다. 압연 중에 열처리를 실시해도 되지만, 오히려 압연 중에 열처리를 실시하지 않고, 후술하는 바와 같이 최종 압연 후에 750 ∼ 1000 ℃ 에서 열처리 (바람직하게는 4 시간 이상) 하는 것이 추장된다.

다음으로, 이 압연재를 열처리, 바람직하게는 750 ∼ 1000 ℃, 1 시간 이상 하고, 그 후, 이것을 원하는 형상으로 기계 가공하여 타깃으로 한다. 이로써, 단조 조직의 파괴와 압연에 의한 균일하고 또한 미세한 조직으로 하는 것을 효과적으로 실시할 수 있다. 압연 가공이나 열처리에 의해 형성되는 본 발명의 집합 조직은, EBSP 법에 의해, 어느 면이 우선적으로 배향하고 있는지 파악하고, 그 결과를 압연 가공이나 열처리의 조건에 피드백함으로써, 원하는 조직 배향을 얻을 수 있다.

실시예

다음으로, 실시예에 대해 설명한다. 또한, 본 실시예는 발명의 일례를 나타내기 위한 것으로서, 본 발명은 이들 실시예에 제한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 기술 사상에 포함되는 다른 양태 및 변형을 포함하는 것이다.

실시예, 비교예에 있어서의 평가 방법 등은 이하와 같다.

(막두께 균일성 및 그 변동률에 대해)

막두께 균일성 및 그 변동률은, 각 타깃 라이프마다 (각 웨이퍼마다) 의 막두께의 변동률 (표준 편차/평균값 × 100) 의「평균값」및「표준 편차」를 사용하여 평가한다. 타깃 라이프는, 스퍼터링시의 전력과 총 스퍼터링 시간의 적산으로 나타낼 수 있다. 예를 들어, 15 ㎾ 의 전력에 있어서, 100 시간 스퍼터링한 경우의 타깃 라이프는 1500 ㎾h 가 된다.

구체적인 평가로는, 먼저, 300 ㎾h (전력 300 ㎾ 로 1 시간) 마다 스퍼터링을 실시하여, 합계 7 장의 웨이퍼에 성막한다. 그리고, 도 2 와 같이 각 웨이퍼의 면 내의 49 개 지점에 있어서의 시트 저항을 측정하고, 그 값을 막두께로 환산하여 (탄탈의 저항값을 180 μΩ㎝ 로 한다), 막두께의 표준 편차와 평균값을 구한다. 그리고, 웨이퍼 각각에 대하여 면 내의 막두께 변동률 (％) ＝ 표준 편차/평균값 × 100 을 산출하고, 이 웨이퍼마다 산출한「막두께 변동률」의 평균값을 막두께 균일성으로 한다. 이 막두께 균일성의「변동률」에 대해서는, 상기에서 구한 웨이퍼마다의 막두께의 변동률을 사용하여, 웨이퍼 간의 (타깃 라이프에 대한) 표준 편차/평균값 (막두께 균일성에 상당) × 100 으로 한다.

(실시예 1)

순도 99.997 ％ 의 탄탈 원료를 전자빔 용해시키고, 주조하여 길이 1000 ㎜, 직경 195 ㎜φ 의 잉곳으로 하였다. 다음으로, 이 잉곳을 냉간으로 드로잉 단조하여, 직경 150 ㎜ 로 한 후에 필요 길이로 절단하여, 빌릿을 얻었다. 다음으로, 1250 ℃ 의 온도에서 열처리하고, 다시 냉간으로 1 차 단조하고, 1000 ℃ 에서 열처리하고, 이어서 냉간으로 2 차 단조를 실시하고, 2 분할하여, 다시 1000 ℃ 에서 열처리하였다.

다음으로, 단조 빌릿을 냉간 압연하였다. 압연 공정은, 압하율 12 ％ 이상의 연속 압연 패스를 합계 10 세트 반복하고, 그 후, 압하율 12 ％ 미만의 압연 패스로 압연하였다. 압연 후, 이것을 800 ℃ 에서 열처리하였다. 다음으로, 얻어진 두께 10 ㎜, 500 ㎜φ 의 타깃 소재에 대하여 마무리 기계 가공을 실시하여, 두께 6.35 ㎜, 450 ㎜φ 의 탄탈 스퍼터링 타깃을 제조하였다.

이상의 공정에 의해 얻어진 탄탈 스퍼터링에 대해, 그 표면을 연마지 (＃2000 상당) 로 닦고, 추가로 폴리플라액을 사용해서 버프 연마하여 경면으로 마무리하고, 그 후, 불산, 질산, 염산의 혼합액으로 처리하였다. 얻어진 연마면에 대해, EBSP 장치 (JSM-7001FTTLS 형 전계 방출 전자 현미경/결정 방위 해석 장치 OIM6.0-CCD/BS) 를 사용하여, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 스퍼터면에 수직인 단면의 조직 (폭 : 2 ㎜, 높이 : 6.35 ㎜) 을 5 개 지점 관찰하였다. 도 3 에 결정 방위 분포를 나타낸다. 그 결과, {111} 면을 갖는 결정립의 면적률은 50.5 ％ 였다. {100} 면이 ND 로 배향하고 있는 결정립의 면적률은 7.5 ％ 였다. 또 {111}/{100} 의 면적률의 비는 6.73 이었다. 다음으로, 이 타깃을 사용하여 스퍼터링을 실시한 결과, 막두께 균일성은 2.2, 막두께 균일성의 변동률은 0.15 로 양호하였다. 또, 성막 속도가 6.9 A/초로 원하는 스퍼터 레이트가 얻어졌다. 이 결과를 동일하게 표 1 에 나타낸다.

(실시예 2 - 5)

실시예 1 과 동일한 방법 등을 사용하여 단조 빌릿을 제조하였다. 다음으로, 단조 빌릿을 냉간 압연하였다. 압연 공정은, 압하율 12 ％ 이상의 연속 압연 패스의 세트수를 표 1 에 나타내는 바와 같이 조정하고, 그 후, 토탈 압하율이 85 ％ 이상이 되도록, 압하율 6 ％ 이상의 압연 패스로 압연하였다. 압연 후, 800 ℃ 에서 열처리하였다. 다음으로, 얻어진 두께 10 ㎜, 500 ㎜φ 의 타깃 소재에 대하여 마무리 기계 가공을 실시하여, 두께 6.35 ㎜, 450 ㎜φ 의 탄탈 스퍼터링 타깃을 제조하였다.

이상의 공정에 의해 얻어진 스퍼터링에 대해, 실시예 1 과 동일한 방법을 사용하여, 타깃의 스퍼터면에 수직인 단면의 조직을 관찰하였다. 그 결과, 모두 {111} 면이 ND 로 배향하고 있는 결정립의 면적률은 35 ％ 이상이었다. 또, {111}/{100} 의 면적률의 비는 모두 2.0 이상이었다. 다음으로, 이 타깃을 사용하여 스퍼터링을 실시한 결과, 막두께 균일성 및 막두께 균일성의 변동률은 양호하였다. 또, 성막 속도도 원하는 스퍼터 레이트가 얻어졌다. 이들 결과를 동일하게 표 1 에 나타낸다.

(비교예 1 - 5)

실시예 1 과 동일한 방법 등을 사용하여 단조 빌릿을 제조하였다. 다음으로, 단조 빌릿을 냉간 압연하였다. 압연 공정은, 압하율 12 ％ 이상의 연속 압연 패스의 세트수를 표 1 에 나타내는 바와 같이 조정하고, 그 후, 토탈 압하율이 85 ％ 이상이 되도록, 압하율 6 ％ 이상의 압연 패스로 압연하였다. 압연 후, 800 ℃ 에서 열처리하였다. 다음으로, 얻어진 두께 10 ㎜, 350 ㎜φ 의 타깃 소재에 대하여 마무리 기계 가공을 실시하여, 두께 6.35 ㎜, 320 ㎜φ 의 탄탈 스퍼터링 타깃을 제조하였다.

이상의 공정에 의해 얻어진 스퍼터링에 대해, 실시예 1 과 동일한 방법을 사용하여, 타깃의 스퍼터면에 수직인 단면의 조직을 관찰하였다. 그 결과, 모두 {111} 면이 ND 로 배향하고 있는 결정립의 면적률은 35 ％ 미만이었다. 또, {111}/{100} 의 면적률의 비는 모두 2.0 미만이었다. 다음으로, 이 타깃을 사용하여 스퍼터링을 실시한 결과, 막두께 균일성 및/또는 막두께 균일성의 변동률이 저하되었다. 또, 높은 스퍼터 레이트가 되었다. 이들 결과를 동일하게 표 1 에 나타낸다.

산업상 이용가능성

본 발명은, 탄탈 스퍼터링 타깃에 있어서, 그 조직 배향을 소정의 상태로 함으로써, 하이 파워 스퍼터의 상황하에 있어서, 스퍼터 물질의 직진성을 증대시킴으로써, 웨이퍼면 상에 스퍼터 물질을 균일하게 성막하는 것이 가능해지고, 막두께의 균일성과 성막의 스루풋 향상을 양립시킬 수 있다. 반도체 집적 회로의 소자 배선용의 박막 형성에 사용하는 탄탈 스퍼터링으로서 유용하다.

Claims

타깃의 스퍼터면에 대하여 수직의 단면을 후방 산란 전자 회절법을 사용하여 관찰하였을 때, {111} 면이 상기 타깃의 상기 스퍼터면에 대해 수직인 방향 (ND) 으로 배향하고 있는 결정립의 면적률이 36.7 ％ 이상 50.5 % 이하이고, {111} 면이 ND 로 배향하고 있는 결정립의 면적률과 {100} 면이 ND 로 배향하고 있는 결정립의 면적률의 비 {111}/{100} 이 2.01 이상 6.73 이하이고,
상기 {111} 면이 ND 로 배향하고 있는 결정립에는, {111} 면의 ND 에 대한 방위 편차가 15°이내인 결정립을 포함하고,
상기 {100} 면이 ND 로 배향하고 있는 결정립에는, {100} 면의 ND 에 대한 방위 편차가 15°이내인 결정립을 포함하고,
후방 산란 전자 회절법 장치는, 스퍼터면에 대하여 수직인 단면의 5 개 지점을 관찰하여, {111} 및 {100} 면이 ND 로 배향된 결정립들의 평균의 면적률을 얻기 위해 사용되는, 탄탈 스퍼터링 타깃.
제 1 항의 탄탈 스퍼터링 타깃의 제조 방법으로서,
잉곳을 준비하기 위해 탄탈을 용해 및 주조하는 단계,
빌릿을 준비하기 위해 상기 잉곳을 드로잉 단조하는 단계,
상기 빌릿을 절단한 후 열처리하는 단계,
상기 빌릿을 일 방향으로 2 회 이상 연속하여 압연하는 단계,
상기 빌릿을 90도 회전시키고, 추가로 2 회 이상 연속하여 압연하는 단계, 및
미리 정해진 판 두께를 얻기 위하여 상기 압연, 회전 및 추가의 압연 단계를 반복하는 단계,
압연재를 열처리하는 단계, 및
그 후에 타깃을 얻기 위해 미리 정해진 형상으로 가공하는 단계를 포함하고,
상기 압연, 회전 및 추가의 압연 단계를 반복하는 단계에서, 상기 압연 과정은 압하율 12% 이상으로 조직 배향을 제어하고 총 압연율이 85% 이상이 되도록 조정하는, 탄탈 스퍼터링 타깃의 제조 방법.