KR20160098219A - 확산 결합된 구리 스퍼터링 타겟 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 99.9999% (6N) 이상의 Cu 순도 수준을 갖는 높은 순도의 확산 결합된 구리 (Cu) 스퍼터링 타겟에 관한 것이다. 본 발명의 타겟 조립체는 충분한 결합 강도 및 마이크로구조 균질성을 나타내는데, 이는 둘 다 이전에는 통상의 6N Cu 타겟 조립체에 대해서 서로 배타적인 것으로 간주되었던 특성이다. 그레인 구조는 합금 원소의 부재를 특징으로 하고 결합된 계면은 일반적으로 임의의 유형의 중간층 또는 상호체결 배열 없이 편평하다.

Description

확산 결합된 구리 스퍼터링 타겟 조립체 {DIFFUSION BONDED COPPER SPUTTERING TARGET ASSEMBLY}

본 발명은 신규하고 개선된 높은 순도의 구리 스퍼터링 타겟에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명은 99.9999% 이상의 구리 순도 수준을 갖는 독특한 확산 결합된 스퍼터링 타겟 조립체에 관한 것이다.

99.999 중량% 이상의 순도의 높은 순도의 구리 (Cu) (5N Cu로 지칭함)는 집적 회로에서 사용하기 위한 높은 순도의 Cu 상호접속의 제조를 위해 유용하다. 생성된 타겟의 Cu 순도는 Cu 라인의 낮은 비저항을 유지하기 위해 중요하다. 상호접속은 Cu 타겟 조립체로부터 5N 이상의 순도의 Cu 물질을 스퍼터링함으로써 생성될 수 있다. 조립체는 전형적으로 높은 순도의 Cu 타겟 블랭크 또는 디스크를 높은 강도의 합금 백킹 플레이트(backing plate)에 확산 결합시킴으로써 제조될 수 있다. 더 미세한 그레인(grain) 크기는 Cu 타겟 스퍼터 성능을 개선할 수 있다. 예를 들어, 더 미세한 그레인 크기는 타겟이 더 빠르게 스퍼터되게 할 수 있고 이는 침착된 필름으로 혼입된 더 적은 입자 함유물을 초래할 수 있다. 더 미세한 그레인 크기 (예를 들어, 50 마이크로미터 이하)는 또한 필름 비저항 (Rs) 및 두께 균일성을 비롯한 생성된 필름 특성을 개선할 수 있다.

집적 회로의 기법 진보는 현재 매우 더 높은 순도의 Cu 상호접속에 대한 필요성을 추구하고 있다. 오늘날의 Cu 상호접속은 더 높은 전도성을 필요로 하며, 이는 99.9999 중량% (6N Cu)의 타겟에 대한 필요성을 추구한다. 200 mm로부터 300 mm로의 웨이퍼의 이동은 6N 이상의 Cu 타겟 조립체가 200 mm 웨이퍼를 제조하기 위해 이전에 사용된 전구체 타겟 조립체보다 유의하게 더 두껍고 직경에 있어서 더 큰 것을 필요로 한다.

그러나, 6N 이상의 Cu 타겟을 제작하기 위해 설계 문제가 남아있다. 어닐링 및 재결정화 동안 그레인 경계를 효과적으로 고정하거나 또는 고착시킬 수 있는 용질을 더 많이 함유하는 5N 순도의 Cu 타겟 조립체와 달리, 6N 이상의 Cu 순도 수준에 대한 그레인 크기 및 그레인 성장의 제어는 대단히 어려워지는데, 이는 6N 이상의 Cu 순도 수준이 5N Cu 물질에 함유된 바와 동일한 양의 합금 용질을 함유할 수 없기 때문이라는 것이 일부 이유이다. 이러한 더 높은 순도 수준에서, 구리는 특히 그레인 성장하기 쉬운데, 이러한 경우 물질에 걸쳐 산란된 일부 그레인이 매트릭스보다 빠르게 성장한다. 그레인이 성장함에 따라, 이들은 전체 구조가 250 마이크로미터 (μm)를 초과할 수 있는 큰 그레인 크기를 초래할 때까지 더 작은 매트릭스 그레인을 소비한다. 그레인 성장 문제를 경감시키기 위해, 높은 순도의 Cu 타겟은 변칙적인 그레인 성장의 개시가 발생하지 않을 것인 임계 온도 미만에서 제작될 수 있다. 그러나, 전형적으로 타겟-백킹 플레이트 계면에서의 충분한 결합 강도를 생성하기 위한 확산 결합을 위해 필요한 최소 온도는 임계 온도보다 높다. 결합 강도는 타겟 스퍼터링 동안 백킹 플레이트로부터 타겟의 탈결합이 발생하지 않도록 충분히 높아야 한다. 스퍼터링 전력 수준이 계속해서 증가함에 따라, 더 높은 결합 강도에 대한 필요성이 더 중요해진다. 게다가, 더 높은 전력의 스퍼터링 조건은 상당한 열을 발생시켜 타겟의 스퍼터링 표면에서 국부적인 그레인 성장을 초래한다.

일반적으로 말해서, 5N Cu 타겟 조립체와 달리, 6N 이상의 순도의 Cu 타겟 조립체가 충분한 결합 강도와 함께 미세한 그레인 크기를 달성하고 유지하는 능력은 경쟁 설계 특성이다. 다시 말해, 6N 이상의 순도의 Cu 타겟 조립체에서 허용되는 미세한 그레인 크기는 더 낮고 허용되지 않는 결합 강도를 희생하면서 달성될 수 없고 그 반대도 마찬가지다. 확산 결합에 포함된 더 높은 온도는 예비결합 가공 동안 수득된 마이크로구조를 변화시킨다. 타겟 블랭크의 제작 동안 그레인 크기 및 목적하는 랜덤 그레인 배향이 달성될 수 있으나, 특성은 기존의 확산 결합 기법에 의해 손실된다. 실제로, 6N 이상의 순도의 Cu 타겟 블랭크의 확산 결합은 그레인 크기가 거의 두배가 되게 할 수 있다.

결합 강도의 손실을 초래하지 않으면서 미세한 그레인 크기를 제공하려고 시도하는 몇몇 높은 순도의 Cu 타겟이 일반적으로 입수가능하다. 예를 들어, 모놀리식 6N Cu 타겟이 일반적으로 이용된다. 산업에서 인지되는 바와 같이 모놀리식 타겟은 백킹 플레이트에 부착되지 않은 타겟을 지칭한다. 이러한 방식으로, 허용되지 않는 결합 강도의 설계 문제를 제거함으로써, 타겟 블랭크를 더 낮은 온도에서 제작되게 하여 그레인 성장을 방지한다. 그러나, 높은 강도의 백킹 플레이트의 부재는 타겟이 스퍼터링 동안 굽을 수 있고 왜곡을 초래할 수 있음을 의미한다. 문제점은 점점 더 높은 전력 수준에서 스퍼터되는 6N 이상의 순도의 Cu로 악화된다. 더 큰 크기의 웨이퍼의 스퍼터링을 위해 필요한 타겟 직경에 있어서의 연속적인 증가 때문에 백킹 플레이트가 없는 이러한 모놀리식 스퍼터 타겟은 덜 실시가능해진다. 그 결과, 6N 이상의 순도의 모놀리식 Cu 타겟은 오늘날의 엄격한 스퍼터링 적용분야를 위해 실행가능하지 않다.

몇몇 6N 이상의 순도의 구리 타겟-백킹 플레이트 조립체가 입수가능하다. 그러나, 어느 것도 불충분하다. 예를 들어, 확산 결합의 승온 및 후속 스퍼터 전력 수준 동안 미세-그레인화된 마이크로구조를 유지하고 안정화시키기 위한 노력으로 99.999 중량%를 초과하는 Cu 타겟으로의 미세합금 첨가를 사용하였다. 미세합금 첨가가 승온에서의 그레인 성장 없이 승온에서의 확산 결합을 발생시킬 수 있으나, 첨가는 이들이 타겟으로 지금 도입된 바람직하지 않은 오염물의 공급원이기 때문에 문제가 있다. 스퍼터 공정은 침착되는 생성된 필름으로 미세합금 첨가물이 혼입되게 할 수 있다. 추가적으로, 몇몇 최종 사용 적용분야는 6N 이상의 순도의 Cu에서의 타겟 조립체를 이용하는 것을 필요로 하며, 이는 그에 도입된 임의의 양의 합금을 견딜 수 없다. 이에 따라, 더 높은 온도에서 그레인 경계가 이동하여 큰 그레인을 형성하는 것에 대한 내성이 없기 때문에, 합금 원소가 없는 6N 이상의 순도의 Cu 타겟 조립체에 대한 필요성이 도전적인 것으로 입증되었다.

미세합금 없이 6N 이상의 순도의 Cu 타겟 조립체를 유지하기 위한 노력에서, 결합 온도는 감소하여야 한다. 이와 관련하여, 필요한 결합 강도를 제공하기 위해 중간층을 이용하는 몇몇 높은 순도의 Cu 타겟 조립체가 입수가능하다. 예를 들어, 은 중간층이 결합 공정의 일부로서 계면에서 일반적으로 이용된다. 그러나, 은 중간층의 사용을 위해 필요한 온도는 결합 계면에서 국부적인 그레인 조대화를 초래하기에 충분히 높다. 마이크로구조 제어의 손실이 발생할 수 있다. 다른 중간층으로 문제가 또한 발생하는데, 즉 그의 사용을 위해 필요한 온도는 너무 높아서 그레인 구조 안정성을 유지할 수 없음이 입증되었다.

타겟을, 특히 더 낮은 융점을 갖는 이러한 납땜 물질을 사용하여 백킹 플레이트에 납땜하는 것이 또한 이용되었다. 그러나, 납땜 결합은 약한 것으로 입증되었고 스퍼터링 작업 동안 탈결합되기 쉽다. 게다가, 더 낮은 융점의 납땜과 연관된 비교적 더 낮은 온도는 스퍼터링 동안 타겟의 온도 범위를 감소시킨다. 따라서, 납땜-결합된 조립체는 오직 더 낮은 전력 수준에서만 가동되어 백킹 플레이트로부터 6N 이상의 순도의 Cu 타겟의 분리를 방지할 수 있다. 이는 감소된 전력 수준에서의 스퍼터링이 스퍼터링 속도를 감소시키기 때문에 문제가 있다.

홈을 갖는 계면이 그레인 성장의 개시 없이 충분한 결합 강도를 달성할 수 있는 기계적으로 상호체결된 계면을 제조하기 위한 목적의 설계로 사용되었다. 그러나, 홈을 갖는 타겟 계면은 열등한 스퍼터링 성능뿐만 아니라 타겟의 더 적은 물질 이용을 초래할 수 있는 계면에서의 공극을 함유한다. 추가적으로, 홈은 조립체의 높은 압력 결합 동안 분해됨으로써, 결합된 구조의 구조적 완전성에 악영향을 미치고, 타겟의 유효 생애를 잠재적으로 단축시킨다.

일반적으로 입수가능한 6N 이상의 순도의 Cu 스퍼터 타겟의 결점 때문에, 300 mm Cu 코팅된 웨이퍼의 제조에서 결합 강도의 손실 없이 미세한 마이크로구조를 보유하는 6N 이상의 순도의 합금되지 않은 Cu 타겟에 대한 필요성이 커지고 있다.

본 발명은 임의의 다음의 측면을 다양한 조합으로 포함할 수 있고 또한 쓰여진 기재내용에서 하기 기재된 본 발명의 임의의 다른 측면을 포함할 수 있다.

제1 측면에서, 스퍼터링 타겟 조립체를 제공한다. 조립체는 백킹 플레이트 및 구리-함유 타겟을 포함한다. 타겟은 Cu 필름으로 코팅된 300 mm 웨이퍼를 제조하도록 구성된 두께 및 직경에 의해 규정된다. 타겟은 백킹 플레이트에 직접 확산 결합되어 있어 실질적으로 편평한 계면을 생성한다. 계면은 중간층 및 홈의 부재를 특징으로 한다. 계면은 약 20 kW 이상의 전력 수준에서의 스퍼터링 동안 백킹 플레이트로부터의 타겟의 탈결합을 방지하기에 충분한 결합 강도를 갖는다. 타겟은 본질적으로 99.9999 중량%의 Cu (6N Cu) 이상으로 이루어지고 합금 원소의 부재를 특징으로 한다. 타겟은 약 30 마이크로미터 이하의 평균 그레인 크기의 그레인을 갖는다.

본 발명의 제2 측면에서, 스퍼터링 타겟 조립체를 제공한다. 조립체는 백킹 플레이트 및 Cu 필름으로 코팅된 300 mm 웨이퍼를 제조하도록 구성된 두께 및 직경에 의해 규정된 구리-함유 타겟을 포함한다. 타겟은 백킹 플레이트에 직접 확산 결합되어 있어 계면을 생성한다. 계면은 약 20 kW 이상의 전력 수준에서의 스퍼터링 동안 백킹 플레이트로부터의 타겟의 탈결합을 방지하기에 충분한 결합 강도를 갖는다. 타겟은 본질적으로 99.9999 중량%의 Cu (6N Cu) 이상으로 이루어진다. 타겟은 합금 안정화물 원소의 부재를 특징으로 한다. 타겟은 약 30 마이크로미터 이하의 평균 그레인 크기의 그레인을 갖는다. 그레인 크기는 약 +/- 2.9% 이하의 편차를 갖는다. 계면에서의 국부적인 마이크로구조는 벌크 그레인 구조와 실질적으로 유사하다.

본 발명의 목적 및 이점은 수반하는 도면과 관련하여 그의 바람직한 실시양태의 다음의 상세한 기재내용으로부터 더 양호하게 이해될 것이며, 여기서 동일한 수는 내내 동일한 특징부를 의미하고 여기서:
도 1a 및 1b는 결합된 계면에서 조대한 그레인을 갖는 통상의 6N Cu 타겟 조립체를 나타내고;
도 2a는 본 발명의 원리에 따른 6N Cu 타겟 조립체의 디지털 사진을 나타내고;
도 2b는 도 2a의 횡단 거대구조이고;
도 3a 및 3b는 도 2a 및 2b의 타겟의 마이크로구조의 광학 현미경 사진을 나타내고;
도 4a는 백킹 플레이트에 확산 결합되기 전 조대한 그레인을 갖는 타겟 블랭크를 나타내고;
도 4b는 백킹 플레이트에 확산 결합되기 전 조대한 그레인을 갖지 않는 타겟 블랭크를 나타내고;
도 5는 본 발명의 타겟 조립체의 초음파 결합 피복 맵을 나타내고;
도 6은 다양한 전력 수준에서의 생애에 따른 Cu 박막 Rs 균일성 변화 (%; 1 표준 편차)를 나타낸다.

본 발명의 목적 및 이점은 연관된 그의 바람직한 실시양태의 다음의 상세한 기재내용으로부터 더 양호하게 이해될 것이다. 본원은 신규한 구리-함유 스퍼터링 타겟 조립체에 관한 것이다. 본 발명의 조립체는 6N 이상의 Cu 순도를 필요로 하는 300 mm 웨이퍼 적용분야를 위해 특히 적합하다. 개시 내용은 본원에서 다양한 실시양태에서 그리고 본 발명의 다양한 측면 및 특징을 참조하여 설명된다.

본 발명의 다양한 요소의 관계 및 기능은 다음의 상세한 기재내용에 의해 더 양호하게 이해된다. 상세한 기재내용은 특징, 측면 및 실시양태를 다양한 순열 및 조합으로 개시 내용의 범위 내인 것으로 고려한다. 따라서, 개시 내용은 이러한 특정한 특징, 측면, 및 실시양태의 임의의 이러한 조합 및 순열, 또는 그의 선택된 것 또는 것들을 포함하거나, 이로 이루어지거나 또는 이로 본질적으로 이루어진 것으로 명시될 수 있다.

본원에서 그리고 명세서에 걸쳐 사용되는 용어 "타겟"은 백킹 플레이트에 결합된 생성된 타겟 구조를 지칭하는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 용어 "타겟"은 "스퍼터 타겟", "스퍼터 타겟 조립체" 및 "타겟 조립체"와 상호 교환적으로 사용될 것이다.

본원에서 그리고 명세서에 걸쳐 사용되는 용어 "높은 순도"는 6N 이상의 순도의 Cu를 지칭하도록 의도한다.

기재될 것인 바와 같이, 본 발명은 5N 내지 적어도 6N 이상으로 증가한 순도 수준을 갖는 Cu 타겟 조립체의 성공적인 설계 및 건설을 방지하였던 기존의 설계 문제를 극복한다. 6N 이상의 통상의 Cu 타겟 조립체는 오직 필요한 마이크로구조 그레인 제어의 손실의 대가로 충분한 결합 강도를 생성할 수 있다. 이와 관련하여, 그리고 통상의 6N 이상의 순도의 타겟 조립체의 이러한 단점을 예시하기 위해, 도 1a는 확산 결합된 기존의 6N 이상의 Cu 타겟 조립체의 대표이다. 구체적으로, 도 1a는 백킹 플레이트(120)에 확산 결합된 타겟(110)을 포함하는 통상의 6N Cu 타겟 조립체(100)의 디지털 사진을 나타낸다. 조립체(100)는 타겟 블랭크를 백킹 플레이트에 확산 결합시키는 동안 사용된 승온에서의 그레인 성장 발생의 결과로서 계면(130)에서 조대한 그레인을 함유한다. 조대한 그레인은 도 1b의 광학 현미경 사진에서 제공된 더 큰 배율에 의해 분명히 볼 수 있다. 도 1b는 결합된 계면(130)에서의 균일하지 않은 크기의 조대한 그레인을 나타낸다. 도 1b는 또한 계면(130)로부터 이격되어 타겟(110)의 벌크 물질로 함유된 조대한 그레인을 나타낸다. 조대한 그레인은 타겟 블랭크의 그레인에 비해 2배 만큼 증가하였다.

도 1a 및 1b에 나타낸 바와 같은 통상의 높은 순도의 구리 타겟 조립체와 달리, 본 발명의 Cu 타겟 조립체는 마이크로구조 제어의 손실 없이 충분한 결합 강도를 갖는다. 그 결과, 본 발명은 더 높은 스퍼터링 전력 수준 및 생애에서 우수한 스퍼터링 성능을 제공하여 높은 품질의 필름을 제조하는 6N 이상의 순도의 높은 순도의 Cu 타겟 조립체에 관한 것이다.

본 발명에 따른 예시적인 높은 순도의 6N Cu 타겟 조립체가 도 2a에 나타나 있다. 도 2a는 스퍼터링 툴(204) 내에 구성된 6N Cu 타겟 조립체(200)의 스퍼터 면(201)을 나타낸다. 조립체(200)는 구리 합금 백킹 플레이트(203)에 직접 결합된 6N Cu 타겟(202)을 포함한다. 도 2a에 나타낸 바와 같은 6N Cu 타겟(202)은 Cu 필름으로 코팅된 300 mm 웨이퍼를 제조하도록 구성된 약 0.9 인치의 두께 및 약 19 인치의 직경에 의해 규정된다. 본 발명이 6N Cu 타겟에 대해 다른 두께 및 직경을 고려하는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어, 본 발명의 6N Cu 타겟은 0.25 인치 내지 1.25 인치 이상, 바람직하게는 0.5 인치 내지 1.25 인치, 보다 바람직하게는 0.75 인치 내지 1.125 인치의 범위의 두께를 갖는다. 6N Cu 타겟은 15 인치 내지 24 인치 이상, 바람직하게는 15 내지 21, 보다 바람직하게는 15 내지 19.5의 범위의 직경을 갖는다.

여전히 도 2a를 참조하여, 타겟 조립체(200)는 스퍼터링 동안 출발 전력 20 kW 내지 40kW로부터 그리고 이어서 56kW의 점차 증가한 전력 수준에서 타겟의 약 50%가 침식되는 정도로 스퍼터링을 겪었다. 도 2a는 타겟의 약 50%가 침식되게 한 약 850 kWh의 생애 후 타겟 스퍼터 면의 상태를 나타낸다. 도 2a에서 볼 수 있는 바와 같이, 850kWh 후 타겟(202)의 스퍼터 면(201)을 따라 가시적인 거대 그레인 조대화가 발생하지 않았다. 결합 강도는 타겟(202)의 탈결합 및 왜곡을 방지하기에 충분하였다. 도 2는 타겟(202)이 백킹 플레이트(203)에 충분히 결합된 채로 유지되었음을 나타낸다. 이러한 전력 수준에서 결합 강도를 유지하고 또한 6N 순도의 Cu에 대한 계면 및 벌크 영역을 따라 구리 그레인의 조대화를 피하는 능력이 전형적으로 오직 그레인 조대화의 대가로 결합 강도를 유지하거나, 또는 별법으로 불충분한 결합 강도 (즉, 왜곡 및/또는 탈결합)의 대가로 미세한 그레인 크기 구조를 유지하는 것이 가능하였던 통상의 6N 이상의 순도의 Cu 타겟 조립체에 비해 유의한 개선이다. 많은 시간에 걸쳐 이러한 높은 스퍼터 전력을 견디는 타겟 조립체(200)의 능력은 적어도 부분적으로 결합 강도에 의존한다. 본 발명의 결합 강도는 스퍼터링 동안 약 1750 kWh의 생애 종료까지 백킹 플레이트로부터의 타겟의 탈결합을 방지하기에 충분하다. 바람직한 실시양태에서, 본 발명은 1280 파운드 힘 (lbf) 이상, 보다 바람직하게는 1500 lbf 이상의 결합 강도에 관한 것이다. 도 2a의 타겟의 측정된 결합 강도는 약 2550 파운드 힘 (lbf)의 평균 결합 분리 힘을 갖는 것으로 측정되었다. 이러한 결합 분리 힘을 평가하기 위한 기법은 그 전문이 본원에 참조로 포함되는 미국 특허 6092427에 기재되어 있다. 이러한 결합 강도는 인장 시험에서 23 ksi에 상응한다.

이러한 방식으로, 본 발명은 이전에 서로 배타적인 것으로 간주된 특성을 나타낼 수 있는 독특한 6N Cu 타겟 조립체를 제공함으로써 산업에서 일반적인 문제를 해결한다. 도 2a는 타겟 조립체의 구조적 완전성 및 조대한 그레인의 부재가 목적하는 경우 스퍼터링이 지속되게 할 것임을 나타낸다.

도 2b는 도 2a의 조립체(200)의 횡단 거대구조를 나타내는 디지털 사진이다. 결합된 계면(205)을 따라 그레인 조대화가 발생하지 않았다. 추가적으로, 타겟(201)의 벌크 영역에서 그레인 조대화가 발생하지 않았다. 그레인은 +/-2.9% 이하의 편차로 약 30 마이크로미터의 평균 크기를 가진다. 본 발명은 또한 약 20 내지 50 마이크로미터, 바람직하게는 20 내지 40 마이크로미터, 보다 바람직하게는 25 내지 35 마이크로미터의 범위의 평균 그레인 크기를 고려하는 것으로 해석되어야 한다. 이전의 6N 이상의 순도의 타겟 조립체는, 특히 결합된 계면을 따라 허용되지 않는 마이크로구조를 나타내었다. 또한, 이전의 6N Cu 타겟 조립체는 본 발명의 더 높은 두께 및 직경에서 미세한 그레인 구조를 달성할 수 없었다.

본 발명의 또 다른 긍정적인 특성은 계면으로부터 6N Cu 타겟 조립체의 벌크 영역으로의 마이크로구조 균질성을 유지하는 능력이다. 이와 관련하여, 도 3a 및 3b는 도 2a 및 2b의 타겟(201)의 마이크로구조의 광학 현미경 사진을 나타낸다. 도 3a는 타겟(301)과 백킹 플레이트(303) 사이의 계면(305) 주변의 국부적인 마이크로구조를 나타낸다. 도 3b는 타겟의 벌크 물질(302)에서의 국부적인 마이크로구조를 나타낸다. 볼 수 있는 바와 같이, 계면(305)에 근접한 국부적인 그레인 구조(301) (도 3a)는 계면(305)로부터 더 멀리 이격되어 연장된 벌크 그레인 구조(302) (도 3b)와 실질적으로 유사하다.

게다가, 그리고 중요한 것은, 계면(305)에서의 국부적인 그레인 구조 (도 3a) 및 계면으로부터 이격되어 벌크 그레인 구조로 연장된 그레인 구조 (도 3b)가 6N 타겟 블랭크(401)의 그레인 구조 (도 4b)로부터 실질적으로 바뀌지 않은 채로 유지된다. 도 4b는 타겟 블랭크에 조대한 그레인이 존재하지 않음을 나타낸다. 타겟 블랭크(401)의 그레인은 (111), (200), (220) 및 (311) 배향을 가지며, 이러한 각각의 배향을 갖는 그레인의 양은 50% 미만이다. 타겟 블랭크(401)의 그레인은 바람직한 그레인 배향 또는 텍스처를 생성하지 않는 방식으로 실질적으로 비등축정화된다. 유리하게는, 본 발명은 균질한 미세 그레인화된 구조를 갖는 도 2a 및 2b의 확산 결합된 조립체(200)로 타겟 블랭크(401)의 미세한 그레인 구조를 보유할 수 있다.

이와 비교하여, 도 4a는 특히 외주에서, 및 또한 벌크 물질에 걸쳐 조대한 그레인(404)을 함유하는 6N Cu 타겟 블랭크(402)를 나타낸다. 확산 결합 공정에서 이러한 타겟 블랭크(402)를 사용하는 것은 생성된 결합된 타겟 조립체에서 그레인 불균질성을 유지하거나 또는 악화시켜 스퍼터링을 위해 적합하지 않은 조대한 그레인의 많은 국부적인 영역 또는 포켓이 생성된다. 이에 따라, 본 발명은 타겟 블랭크에서 6N 이상의 순도 수준을 유지할 필요성을 인지한다.

본 발명의 원리에 따라, 그레인은 미세합금 안정화물이 부재하다. 통상의 6N Cu 이상의 타겟과 달리, 본 발명은 놀랍게도 합금 용질의 도입 없이 그레인 크기 및 그레인 구조를 제어하여 그레인의 이동을 고착시키는 능력을 입증하였다. 통상의 6N 이상의 순도의 Cu 타겟은 그레인 경계 이동 및 확산 결합 동안 크기에 있어서 더 크게 성장하고 크기에 있어서 더 균일하지 않은 그레인의 변환을 방지하기 위해 전형적으로 합금에 의존하였다. 6N Cu 물질은 5N Cu 물질에 비해 자릿수 만큼 더 적은 용질을 함유한다. 6N 이상의 순도의 Cu 물질에서의 합금 용질에 있어서의 이러한 감소는 필요한 확산 결합 온도에서의 그레인 이동성을 증진시킨다. 미세합금 안정화물의 부재는 2차 상 합금 침전물의 실질적인 부재로 번역된다. 이러한 방식으로, 본 발명의 타겟 조립체의 스퍼터 성능은 스퍼터링 동안 국부적인 아킹의 감소 또는 제거에 있어서 잠재적으로 증진된다. 게다가, 스플랫 (즉, 큰 입자)의 침착의 위험을 최소화할 수 있다. 이와 관련하여 본 발명의 6N 타겟은 따라서 통상의 6N 타겟을 능가할 수 있다.

합금 물질 또는 다른 첨가제를 도입하지 않기 때문에, 결합된 타겟 조립체에서의 응집체 금속 불순물은 약 1 ppm 이하이다. 금속 불순물은 전형적으로 타겟 블랭크를 제작하기 위해 이용된 출발 6N Cu 이상의 순도의 잉곳 또는 빌릿 물질 내에 함유된 임의의 금속, 예컨대 예로서 망간, 인듐, 은, 주석 및 마그네슘을 포함할 수 있다. 총 금속 불순물은 바람직하게는 약 1.0 ppm 미만, 보다 바람직하게는 약 0.90 ppm 미만, 가장 바람직하게는 약 0.85 ppm 미만이다.

확산 결합 동안 변칙적인 그레인 성장을 피하고 결합된 6N Cu 타겟 조립체에서 뿐만 아니라 스퍼터링 동안 (도 2a 및 2b) 원소를 안정화시키는 미세합금의 도입 없이 미세한 크기의 그레인 구조를 유지하는 능력은 통상의 결합된 6N Cu 조립체보다 유의한 개선이다. 본 발명의 설계 특성은 일반적으로 제어된 그레인 크기를 달성하기 위해 6N 미만의 순도 수준에 의존하여야 하는 통상의 6N 이상의 순도의 구리 타겟 조립체와 극명히 대조된다.

바람직하게는, 본 발명의 계면(205)은 실질적으로 편평하며, 이러한 경우 계면(205)은 중간층의 부재를 특징으로 한다. 도 2b를 참조하여, 타겟(202)의 접합 표면을 백킹 플레이트(203)의 접합 표면에 직접 결합시키는 것은 두 접합 표면 모두에 대한 실질적으로 모든 영역이 서로 직접 접촉하도록 발생한다. 이와 관련하여, 도 5는 접합 표면의 초음파 스캔을 나타낸다. 청색 및 적색 프로파일은 타겟(202)과 백킹 플레이트(203) 사이의 완전한 결합 피복 영역을 나타낸다. 편평한 계면(205)은 생성된 결합된 조립체(200)가 몇몇 이점을 나타낼 수 있는 6N Cu 이상의 순도 수준에 대해 특히 유리하다. 예를 들어, 6N Cu 이상의 순도의 타겟의 증가된 생애가 달성될 수 있으며, 이러한 경우 도 1의 6N Cu 이상의 타겟 조립체 또는 실질적으로 편평하지 않은 계면에 의존하여야 하는 다른 타겟 조립체에 비해 타겟(201)의 증가된 물질 수율이 도달가능하여 타겟 및 백킹 플레이트의 접합 표면을 따라 필요한 결합 강도를 생성한다. 게다가, 실질적으로 편평한 계면은 6N Cu 및 다른 유형의 타겟의 산업에서 전형적으로 직면되는 임의의 플라즈마 발화 문제에 직면하지 않으면서 타겟의 생애 종료까지 개선된 스퍼터링 성능을 가능하게 할 수 있다.

실질적으로 편평한 결합된 계면(205)은 그에서 공극 및/또는 함유물의 유의한 감소 또는 부재를 갖는다. 계면에서의 조대한 그레인의 부재를 특징으로 하는 미세한 그레인 크기와 조합된 공극 및/또는 함유물 (예를 들어, CuO)의 부재는 스퍼터 성능을 개선할 수 있다. 추가로, 국부적인 가열의 공산이 감소함에 따라 300 mm 웨이퍼 상에서의 구리 필름 침착 동안 스플랫 결함의 형성이 감소하거나 또는 방지된다. 본원에서 사용되는 스플랫은 침착된 필름에 함유된 500 마이크로미터 이상의 큰 결함이다. 스플랫은 금속 라인을 단락시킴으로써 장치 수율에 영향을 미친다. 기존의 상호접속 금속화 공정에서 생성된 유의한 양의 모든 필름 내 결함은 유도된 스플랫형 결함이다.

게다가, 계면에서의 미세한 그레인 크기와 조합된 공극 및/또는 함유물의 부재는 증진된 결합 강도를 제공할 수 있다. 6N 이상의 순도의 Cu 타겟에 대해 일반적으로 말해서, 큰 그레인 크기는 연질 및 낮은 결합 강도의 타겟을 초래할 수 있다. 낮은 결합 강도의 타겟은 과열 및 아킹 동안 기계적으로 파손되기 쉽다. 예를 들어, 공극 및/또는 함유물로 인한 국부적인 가열은 타겟의 낮은 결합 강도 부분을 파괴하고 몰아낼 수 있는 실질적인 국부적인 열 구배를 초래할 수 있다. 몰아낸 타겟 물질은 스플랫을 생성할 수 있다. 볼 수 있는 바와 같이, 통상의 6N 이상의 순도의 Cu 필름과 달리, 계면에서 미세한 마이크로구조를 보유하고 결합 강도를 유지하는 능력은 300 mm 웨이퍼 상에 침착된 Cu 필름을 궁극적으로 개선할 수 있는 개선된 스퍼터 성능의 상승작용을 제공한다.

도 2b에 나타낸 바와 같은 편평한 계면(205)이 스퍼터링 동안 바람직하고 많은 공정 이점을 제공하나, 본 발명이 일부 스퍼터링 적용분야를 위해 적합할 수 있는 다른 유형의 계면을 고려하는 것으로 해석되어야 한다. 예로서, 계면은 실질적으로 편평한 계면으로부터 더 많은 홈을 갖거나 또는 톱니 형상의 계면으로 개질될 수 있으며, 이러한 경우 백킹 플레이트의 접합 표면을 따라 있는 이러한 홈 특징부는 타겟의 접합 표면을 따라 있는 상보적인 홈과 상호체결된다. 홈을 갖는 계면의 건설은 관련 기술분야에 공지된 바와 같은 임의의 수단에 의해 수행될 수 있고 임의의 형상 및 크기를 함유하도록 설계될 수 있다.

언급된 바와 같이, 출원인은 본 발명의 6N 타겟 조립체가 충분한 결합 강도를 달성하고 유지할 수 있으며, 이러한 경우 최대 약 56 kWH의 전력 수준에서 탈결합이 발생하지 않으면서 동시에 도 4b에 나타낸 바와 같은 전구체 타겟 블랭크로부터 실질적으로 바뀌지 않은 채로 유지되는 실질적으로 균질하고 미세한 그레인 크기 구조를 유지함을 입증하였다. 전구체 타겟 블랭크는 도 4b에 기재되고 나타낸 바와 같이 300 mm 이상 직경의 웨이퍼의 제조를 위해 필요한 두께 및 직경을 갖는다. 게다가, 블랭크는 조대한 그레인을 함유하지 않는다.

타겟 블랭크는 열 처리, 열간 작업, 냉간 작업 및 어닐링 작업의 조합에 의해 빌릿으로부터 전환되며, 이는 도 2a 및 2b에 기재된 바와 같은 필수적인 그레인 마이크로구조를 갖는 타겟 블랭크에 도달하기 위해 작업된 6N Cu 물질의 균일한 변형 및 스트레인을 제공하는 방식으로 본 발명의 6N 이상의 순도의 타겟 조립체를 제조하기 위해 적합한 타겟 블랭크 두께로 출발 빌릿 두께를 증가하여 감소시킨다. 열간 작업 조건은 약 1 시간 내지 약 4 시간, 바람직하게는 2 시간 내지 약 4 시간, 보다 바람직하게는 약 2 시간 내지 약 3 시간의 범위의 기간 동안 약 400C 내지 약 650C, 바람직하게는 400C 내지 500C, 보다 바람직하게는 400C 내지 450C의 범위의 승온을 포함한다. 열간 압착을 이용하여 빌릿의 출발 두께를 중간 두께로 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 직경 7.0 인치 및 6.2 인치의 절단 길이 (즉, 초기 빌릿 두께)의 6N 순도의 Cu 빌릿은 열간 압착을 이용하여 열간 작업되어 약 27% 내지 약 67%, 보다 바람직하게는 30% 내지 50%, 가장 바람직하게는 35% 내지 45%의 범위의 변형에 도달할 수 있다. 열간 압착 후 공기 냉각이 사용될 수 있다. 다음에, 중간 크기의 빌릿은 바람직하게는 냉간 작업되어 약 60-90%, 바람직하게는 70-85%, 보다 바람직하게는 75-85%의 범위의 변형에 도달하여 타겟 블랭크 직경 및 두께가 생성된다. 블랭크는 2차 재결정화가 발생하지 않으면서 실질적으로 균질한 마이크로구조 및 크기를 생성하기에 충분한 온도 및 시간에서 후속적으로 어닐링된다. 한 예에서, 어닐링 조건은 1-8 시간, 바람직하게는 2-7 시간, 보다 바람직하게는 3-6 시간의 기간 동안 250-450℃, 바람직하게는 275-400℃, 보다 바람직하게는 300-350℃의 범위이다.

도 4b에 나타낸 바와 같은 블랭크가 생성되었으며, 블랭크는 백킹 플레이트로 확산 결합될 수 있다. 먼저, 타겟 블랭크 및 백킹 플레이트 (예를 들어, 구리 합금 백킹 플레이트)는 목적하는 형상 및 배향으로 공지된 방법에 의해 기계가공된다. 기계가공된 타겟 블랭크 및 기계가공된 백킹 플레이트는 이어서 정제되고 금속 캔 장치에서 진공 밀봉된다. 바람직하게는, 타겟 블랭크 및 백킹 플레이트의 접합 표면은 실질적으로 편평하고 그를 따라 홈, 톱니 형상의 특징부, 함유물 및/또는 공극의 부재를 특징으로 한다. 열간 등방압 압착이 후속적으로 수행될 수 있다. 불활성 기체, 예컨대 아르곤을 챔버에 도입하여 약 15-40 ksi, 바람직하게는 20-35 ksi, 보다 바람직하게는 25-30 ksi의 압력을 발생시킨다. 온도는 1-7 시간, 바람직하게는 2-6 시간, 보다 바람직하게는 3-5 시간의 기간 동안 200-380℃, 바람직하게는 225-300℃, 보다 바람직하게는 250-300℃로 증가시킨다. 이러한 설정된 온도 및 압력 사이클 동안, 타겟 블랭크 및 백킹 플레이트로부터의 Cu 원자를 상호확산시켜 결합된 계면을 형성한다. 특히 중요한 것은, 온도가 타겟 블랭크의 그레인 크기 및 구조의 개질 및/또는 변경이 실질적으로 발생할 것인 임계 온도를 초과하지 않는다는 점이다. 그 결과, 계면 그리고 벌크 구조 모두에서 미세한 그레인 크기 및 균질성을 보유하면서 여전히 결합 압력으로 인해 충분한 결합 강도를 생성하게 하는 방식으로 확산 결합이 발생한다. 후속적으로, 이전에 기재되고 도 5에 나타낸 바와 같은 초음파 방법을 사용한 결합 피복 평가 전에 결합된 조립체가 실온이 되게 하고 표면을 정제한다.

도 5의 결합된 6N Cu 타겟 조립체의 미세한 마이크로구조 및 결합 강도는 개선된 스퍼터 성능으로 번역된다. 특히, 6N Cu 타겟 조립체는 도 1a에 나타낸 스퍼터 툴에서 생애 종료까지 스퍼터되어 탈결합 및 유의한 왜곡을 초래하지 않으면서 300 mm Si 웨이퍼 상에서 높은 순도의 Cu 필름을 생성할 수 있다. 이러한 개선된 공정 이점은 약 20 kW 내지 약 56 kW의 범위의 전력 수준에서 초래될 수 있다. 추가적으로, 타겟 조립체는 벌크에서 또는 결합된 계면에서 마이크로구조 변형을 초래하지 않으면서 스퍼터될 수 있다.

도 6은 침착된 Cu 필름이 필름에서의 스플랫 (예를 들어, 500 마이크로미터 이상)의 부재 및 제어된 표면 비저항 (Rs) 균일성으로 생성되었음을 나타낸다. 도 6은 6N 타겟 조립체가 150 kWh까지의 생애 동안 20 kW의 전력에서 스퍼터되었고; 이어서 225 kWh까지의 생애 동안 40 kW의 전력에서 스퍼터되었고; 이어서 1750 kWh까지의 생애 동안 56 kW의 전력에서 스퍼터되었음을 나타낸다. Rs 균일성은 관련 기술분야에서 공지된 바와 같은 4 지점 프로브를 이용하는 49 지점 측정으로부터 수득하였다. Rs 균일성 편차는 1 시그마의 표준 편차를 나타내는 5.5% 미만으로 유지되었다. Rs 균일성 데이터는 본 발명의 스퍼터 타겟 조립체가 실질적으로 제어된 Rs 균일성 데이터를 발생시키는 실질적으로 균일한 방식으로 스퍼터될 수 있음을 나타낸다. 통상의 6N 이상의 순도의 Cu 스퍼터 타겟과 달리, 본 발명은 비교적 작고 균일한 그레인 크기와 그에서의 공극 및 함유물의 부재를 특징으로 하는 충분한 결합 강도의 조합을 가지며, 이는 상조적으로 상호작용하여 증진된 특성을 갖는 300 mm 이상 직경의 웨이퍼 상에서의 높은 품질의 Cu 필름의 침착을 위해 개선된 스퍼터링 성능을 가능하게 하는 높은 순도의 Cu 타겟 조립체를 제공할 수 있다. 통상의 6N 이상의 순도의 Cu 타겟 조립체는 생애 종료까지 높은 전력 스퍼터링 동안 결합 강도를 유지할 수 없다. 별법으로, 이러한 통상의 조립체가 결합 강도를 유지할 수 있는 경우, 예를 들어 100-200 마이크로미터 이상을 갖는 그레인 조대화가 많은 영역에서 발생한다. 이러한 조대한 그레인의 존재는 이러한 타겟을 이용하여 제조된 박막의 품질 및 균일성에 부정적으로 영향을 미친다. 추가로, 조대한 그레인은 과열 및 아킹 동안 일반적으로 기계적으로 파손되기 쉬운 연질의 낮은 결합 강도의 타겟을 초래한다. 또한, 두께 및 직경이 300 mm 이상 직경의 웨이퍼 상으로 필름을 스퍼터링할 수 있는 타겟의 제조를 위한 본 발명의 두께 및 직경보다 증가하기 때문에 이러한 손상은 확대된다.

본 발명의 특정한 실시양태인 것으로 간주되는 것을 나타내고 기재하였으나, 이는 물론 형식상의 또는 상세한 다양한 변경 및 변화가 본 발명의 취지 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 용이하게 행해질 수 있는 것으로 해석될 것이다. 예를 들어, 많은 예시된 실시양태가 6N 순도의 Cu 타겟 조립체에 관한 것이나, 본 발명의 원리가 6N 초과의 순도 수준의 Cu 타겟 조립체뿐만 아니라 300 mm 초과의 웨이퍼를 위해 적합한 직경 및 두께를 갖는 타겟 조립체에 적용가능한 것으로 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명이 본원에서 나타내고 기재한 정확한 형태 및 상세한 기술이나, 또는 본원에서 개시하고 하기 청구된 본 발명의 전체보다 적은 그 어떤 것에도 제한되지 않는 것으로 의도한다.

Claims (22)

1. 백킹 플레이트; 및
   Cu 필름으로 코팅된 300 mm 이상 직경의 웨이퍼를 제조하도록 구성된 두께 및 직경에 의해 규정된 구리-함유 타겟
   을 포함하는 스퍼터링 타겟 조립체이며, 상기 타겟은 백킹 플레이트에 직접 확산 결합되어 있어 실질적으로 편평한 계면을 생성하고, 상기 계면은 중간층 및 공극의 부재를 특징으로 하고, 상기 계면은 약 20 kW 이상의 전력 수준에서의 스퍼터링 동안 백킹 플레이트로부터의 타겟의 탈결합을 방지하기에 충분한 결합 강도를 가지며;
   상기 타겟은 본질적으로 99.9999 중량%의 Cu (6N Cu) 이상으로 이루어지며, 여기서 상기 타겟은 합금 안정화물 원소의 부재를 특징으로 하고;
   여기서 상기 타겟은 약 30 마이크로미터 이하의 평균 그레인 크기를 갖는 그레인을 포함하는 것인
   스퍼터링 타겟 조립체.
2. 제1항에 있어서, 상기 타겟이 약 1 ppm 이하의 총 금속 불순물을 포함하는 것인 타겟 조립체.
3. 제1항에 있어서, 타겟의 상기 그레인이 (111), (200), (220) 및 (311) 배향으로 구성되며, 각각의 배향을 갖는 그레인의 양이 50% 미만인 타겟 조립체.
4. 제1항에 있어서, 약 1280 파운드 힘 이상의 결합 강도를 갖는 타겟 조립체.
5. 제1항에 있어서, 상기 평균 그레인 크기가 +/- 2.9% 이하의 편차를 갖는 것인 타겟 조립체.
6. 제1항에 있어서, 상기 그레인들은 계면에서 국부적인 마이크로구조를 가지며, 계면으로부터 이격되어 위치하는 상기 그레인들은 벌크 그레인 구조를 가지며, 계면에서의 상기 국부적인 마이크로구조는 벌크 그레인 구조와 실질적으로 유사한 것인 타겟 조립체.
7. 제1항에 있어서, 상기 타겟이 약 .8 인치 이상의 두께를 갖는 것인 타겟 조립체.
8. 제1항에 있어서, 상기 타겟이 약 19 인치 이상의 직경을 갖는 것인 타겟 조립체.
9. 계면에서 조대한 그레인을 갖는 타겟에 비해 개선된 Rs 균일성을 갖는 제1항의 타겟 조립체에 의해 제조된 필름.
10. 제9항에 있어서, 약 5.5% 이하의 Rs를 갖는 필름.
11. 제1항에 있어서, 타겟이 16 마이크로인치의 표면 조도를 갖는 것인 타겟 조립체.
12. 없음
13. 제1항에 있어서, 스퍼터링 툴 내에 구성된 타겟 조립체.
14. 제1항에 있어서, 상기 백킹 플레이트가 약 90 이상의 락웰(Rockwell) 경도 (R_B)를 포함하는 것인 타겟 조립체.
15. 제1항에 있어서, 상기 스퍼터링 전력 수준이 약 20 kW 이상인 타겟 조립체.
16. 제1항에 있어서, 상기 편평한 계면이 공극 및 함유물을 실질적으로 갖지 않는 것인 타겟 조립체.
17. 제6항에 있어서, 계면에서의 상기 그레인 크기가 타겟 블랭크의 그레인 크기로부터 실질적으로 바뀌지 않은 채로 유지되는 것인 타겟 조립체.
18. 제6항에 있어서, 상기 그레인이 타겟 조립체의 계면 및 벌크 영역에서의 조대한 그레인의 부재를 특징으로 하는 마이크로구조를 갖는 것인 타겟 조립체.
19. 백킹 플레이트; 및
    Cu 필름으로 코팅된 300 mm 이상의 웨이퍼를 제조하도록 구성된 두께 및 직경에 의해 규정된 구리-함유 타겟
    을 포함하는 스퍼터링 타겟 조립체이며, 상기 타겟은 백킹 플레이트에 직접 확산 결합되어 있어 계면을 생성하고, 상기 계면은 약 20 kWh 이상의 전력 수준에서의 스퍼터링 동안 백킹 플레이트로부터의 타겟의 탈결합을 방지하기에 충분한 결합 강도를 가지며;
    상기 타겟은 본질적으로 99.9999 중량%의 Cu (6N Cu) 이상으로 이루어지며, 여기서 상기 타겟은 합금 안정화물 원소의 부재를 특징으로 하고;
    상기 타겟은 약 30 마이크로미터 이하의 평균 그레인 크기를 갖는 그레인을 가지며, 상기 그레인 크기는 약 +/- 2.9% 편차 이하의 편차를 가지며;
    상기 그레인들은 계면에서 국부적인 마이크로구조를 가지며 계면으로부터 이격되어 위치하는 상기 그레인들은 벌크 그레인 구조를 가지며, 계면에서의 상기 국부적인 마이크로구조는 벌크 그레인 구조와 실질적으로 유사한 것인
    스퍼터링 타겟 조립체.
20. 제19항에 있어서, 상기 계면이 홈을 포함하는 것인 스퍼터링 타겟 조립체.
21. 제19항에 있어서, 상기 계면이 실질적으로 편평한 것인 스퍼터링 타겟 조립체.
22. 제19항에 있어서, 상기 타겟이 조대한 그레인의 부재를 특징으로 하는 타겟 블랭크로부터 유래된 것인 스퍼터링 타겟 조립체.

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