TW526273B - High purity cobalt sputter target and process of manufacturing the same - Google Patents

Description

526273 玖、發明說明 本發明是有關於一種高純度鈷濺鍍靶（high purity cobalt sputter targets)與相關微電子應用產品之製造方法。 高純度鈷是指氧含量小於500PPM，鎳含量小於200PPM， 鐵、鋁與鉻含量小於50PPM，以及鈉與鉀含量小於 0.5PPM。鈷靶在靶面之水平方向上呈現一個低磁導率 (magnetic permeability)，以及在粑面之垂直方向呈現一個 局磁導率，也就是很大的表面通量滲漏（surface flux leakage)。本發明爲一^種具有強結晶學相位（crystallographic orientation)之六角最密堆積相(hexagonal close packed ;以 下簡稱HCP)與極弱之面心立方堆積相（face centered cubic ’以下簡稱FCC)的尚純度銘之微粒結構之製造方法。 這種強六角立方堆積結晶構造(傾斜之（〇〇〇2)相），對於濺 鍍效率與在所指定應用靶的材質用途上是重要的。 高純度鈷靶係使用於濺鍍應用上，製造微電子元件之 薄膜，例如微處理器、動態隨機存取記憶體等。磁控直流 濺鍍（DC magnetron sputtering)的效率，主要取決於磁場對 於革巴所釋放出電子的困陷（trap)能力，以及將電子導引回 與互斥的帶負電靶。這些電子螺旋似地穿過在濺鍍室之電 漿氣體（通常是氬），朝靶的方向前進。螺旋似地運動提高 其與氬原子的碰撞頻率，造成更多氬原子撞擊耙面與提高 最終的沈積速率。藉著磁場在與靶面平行方向分量上的增 強，可增加濺鍍速率（漸近至極限），這主要取決於磁場穿 3772piG.doc/008 8 526273 透靶面的能力。鐵磁性的（fermmagnetic)鈷之磁性質是相 當非等相性的（anisotropic)，且常會抵抗磁場的磁導率。 所以，當一磁性物質比如習知已處理的鈷被做爲靶之用， 其磁通量易於穿過耙的內部，且只有一低通量能穿出並進 入電槳放電空間（plasma discharge space)。克服這問題， 需要使用非常薄的鈷靶，但終究會導致相當短的使用壽 命。此外，靶在濺渡過程中（侵鈾溝渠），其局部性截面的 減少，造成直接在侵蝕溝渠中磁通量的降低。這會導致在 此區域中濺鍍氣體離子化的可能性提高，以及局部性髙濺 鍍率的發生，造成侵蝕溝渠變得很窄，使材質使用劣化。 因爲磁場強度和與磁場中心距離的指數關係，此效應與薄 靶的使用是相輔成相成的。在薄靶上小量的侵蝕相較於在 厚靶上等比例的侵鈾量，產生極大的局部性磁通量強度’ 此乃厚靶表面較遠離磁場中心所致。 爲克服這問題，在高純度鈷靶之水平面上需要一低磁 導率，以使在其垂直方向上的磁通量滲漏增加。鈷具有兩 種晶格形式：面心立方堆積（FCC)與六角最密堆積（HCP)° HCP相爲低溫結晶構造且可存在至422°C，更高溫度時將 轉換爲FCC相。習知之高純度鈷濺鍍靶迄今所使用者， 係包括兩種相的混和。傳統上靶的製程，是將高純度金屬 鈷加熱至熔解，然後再灌入模中，此溫度下金屬鈷爲FCC 單相。此鑄條（cast ingot)將立刻被冷卻，或在經過熱塑性 處理之後再冷卻，使得部份FCC相將轉換爲含HCP相之 馬氏體結構（martensitic structure)。 3772pif3.doc/008 9 526273 以高純度鈷爲例，FCC相對HCP相之比値對於磁導 率具有很大的影響。FCC相遠比HCP相有著非等相的磁 性性質，使得主要組成爲FCC相的鈷靶有很低的穿過通 量（pass through flux ; PTF)，以及因爲無特別顯著之結晶 學方向，磁通量的流向受靶之幾何形狀所限制。幾何形狀 易於在靶的水平面內減少磁通量，並防止磁通量滲漏◦假 設靶之HCP相的量增加，在HCP結晶之容易磁化方向 <0001>將朝與靶面垂直的方向排列，而在靶之水平面的磁 導率會降低，且容易經由靶的厚度產生滲漏磁場（leakage magnetic field)。如果能降低傳統製程之鈷濺鍍靶的FCC 相的量且增加HCP相的量，使FCC相對HCP相的比値降 低，則在靶之水平面的磁導率會降低，造成在靶之水平面 上的滲漏磁場增加。這說明了使用較習知厚之高純度鈷 靶，將可提高使用壽命與改善使用品質。 從光學的體積測量上，難以求得FCC相對HCP相的 比値，而在工業上考慮與此二相之體積比成比例的X光繞 射強度，將變得較普遍而容易。此比値上的波峰在FCC 相爲（002)，在HCP相爲（10-11)，所以選擇這些波峰，是 因爲在FCC相（111)與HCP相（0002)有強繞射波峰的重疊。 爲讓本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂， 下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如 下： 圖式之簡單說明： 第1圖係繪示在金屬鈷之HCP相與FCC相中，其磁 3772pif3.doc/008 10 526273 化的方向； 第2圖係繪示在HCP之<0001>稜鏡軸（prism axis)上， 其（0002)極圖所示之0〜10°的傾角； 第3圖係繪示在HCP之<0001>稜鏡軸上，其（0002)極 圖所示之2〇〜40°的傾角；以及 第4圖係繪示習知與依照本發明之一較佳實施例，鈷 金巴於穿過通量（PTF)値的比較。 圖式標號之簡單說明： HCP :六角最密堆積 FCC :面心立方堆積 實施例 本發明已開發高純度鈷濺鍍靶之製造方法，藉由FCC 相對於HCP相之X射線繞射波強度的比値，雖然此比値 遠較習知製程之數値爲小。本發明的步驟包括將具有FCC 單相之習知高純度鈷加熱至熔解，然後灌入模中並使其從 高溫冷卻，這一步驟可藉由任何可利用之熔解方法進行。 然而，真空鑄造法（vacuum casting method)較受喜愛，例 如真空感應熔解爐（vacuum induction melting furnace)或 e 光束爐（e-beam furnace)，接著，將鑄條冷卻至室溫◦另一 方面，可將鑄條經一熱塑性處理（hot working treatment or hot plastic working treatment)，再冷卻至室溫，使 FCC 單 相的部份轉變爲含HCP相之馬氏體結構◦然後，在本發 明步驟之第二階段，係將上述所得含大部分FCC相與少 許HCP相之金屬鈷經一冷塑性處理（cold working treatment 3772pif3.doc/008 11 or cold plastic working treatment)，在低於 HCP 轉換溫度 (422°C)下，能得到更多的厚度減少。經冷塑性處理後的結 果，金屬鈷將被給予壓縮張力（compression strain)，且部 份之FCC相會轉變爲含HCP相之馬氏體結構。 任何習知之冷軋法（cold-rolling method)，例如滾壓 (rolling)、沖壓（drawing)、衝模（swaging)、鍛造（forging) 或一般加壓處理皆能適用於本發明。而高純度鈷最好是經 冷塑性處理至厚度降低10%或更多，爲了降低更多，發明 人發現在300〜422°C的溫度範圍進行回火數個小時，能給 予鈷更多的冷塑性處理效果（40〜60%)。若不經此回火步 驟，冷處理之延展性（ductility)極限約爲20〜25%。在前述 方法製造的高純度鈷，相較於習知之高純度鈷，能產生顯 著降低之X射線繞射波強度比値、FCC(200)/HCP(10-11)。 本發明發現高純度鈷造成約10%或更多的冷變形 (deformation)，且在金屬鈷中並無檢測到FCC相存在，其 FCC(200)/HCP(10-11)之比値約爲 〇。 請參照第1圖，鈷之二種結晶相在磁性性質方面爲非 等相性，且具有其喜好之磁化方向。當HCP晶軸<0001> 與耙的中垂線（normal)之傾角介於0〜45° ，是經由上述之 變形機制（deformation mechanisms)所致，形成結果爲具有 高穿過通量（PTF)與較佳濺鍍效果的靶。 請參照第2圖，係顯示其HCP<0001>·鏡軸之傾角介 於0〜10°之（〇〇〇2)極的圖示。 請參照第3圖，係顯示其：》€?<0001>稜鏡軸之傾角介 3772pii3.doc/008 12 526273 於20〜40°之（ΟΟ02)極的圖示。 習知處理樣品1的方法，係將金屬鈷粉末加熱至熔解， 再將熔融之金屬鈷灌入模中並冷卻至室溫。另一方法則將 已固化且仍高熱之鑄條加以熱塑性處理，在將鑄條冷卻至 室溫前以加壓或滾壓的方式將其製成厚板（slab)或薄片 (sheet)。在本發明中先將鑄條冷卻至室溫，然後在750〜900 °C的溫度下進行熱塑性處理，在溫度超過500°C以上將進 行相同之冶金（metallurgy)步驟。依照本發明之實施例，先 以習知之方法處理樣品2、3、4、5與6，但再附加以冷塑 性處理，其先在超過750°C之高溫加以熱塑性處理，再於 300〜422°C進行冷塑性處理，每個樣品經不同程度之冷塑 性處理，如第2表所示。 樣品7則不經任何熱塑性處理，直接從熔融態冷卻至 室溫且有經冷塑性處理有49%的縮減量。樣品4、5、6與 7中，其經冷處理之量超過20%，在300〜422°C的溫度範 圍進行之回火步驟用來改變情況、使鈷再結晶以及進行一 附加冷塑性處理並防止材質超越其延展性極限與斷裂 (fracturing)。此回火步驟爲本發明之不可或缺的一部份， 且使金屬材質進行相當量之冷塑性處理，並藉此有效降低 最後金屬鈷之FCC成份。 第1表係顯示本發明之高純度鈷樣品中，其七種的主 要成份。每個樣品之FCC(200)/HCP(10-11)的強度比値， 係採用CuK α射線加以測量，其測量結果如第2表所示。 數據顯示：習知之樣品（樣品1)的FCC(200)/HCP(1(M1)的 3772pii3.doc/008 強度比値爲〇·52 ’比經本發明處理之樣品（樣品2〜7)爲高。 在樣品4、5、6與7中，並無偵測出FCC相存在，而得 到接近〇之比値。每個樣品之磁導率(permeability)與矯頑 磁力（coercivity)是源於B-H標準環狀測量，這些測量從二 方向加以進行，與樣品之表面平行（X-方向）以及與樣品之 表面垂直（z-方向）。測量之ζ/χ比値是用來說明磁非等相性 之強度與方向，而z/x値則定義爲磁導率比。 磁通量實際上係經過最低電阻的路線，此部份大多位 於最问碰導率之方向。在祀之內最局驗導率之方向與樣品 表面之垂直方向一致是重要的，將導致磁導率比大於i。 最好其値比1大得多，甚至比10要大，因爲去磁效應 (demagnetization effect)來自靶之幾何深寬比（ge〇metrical aspect ratio)。在防止磁通量滲漏進入電漿放電空間，以及 將磁通重保持於祀面之內，平面形狀的祀扮演重要的角 色◦藉著穿過通量，可量測磁場滲入電漿放電空間的強度。 第4圖係顯示：以穿過通量測量（a)習知之鈷濺鍍靶與（b) 本發明之鈷濺鍍靶。 如第2表之結果所示，確定在習知樣品之平面上的磁 導率爲本發明樣品的數倍高，依照本發明之冷塑性處理， 其磁導率比、Ζ/χ値爲顯著地增加。 雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限 疋本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和 範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範 圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲準。 3772pif3.doc/008 14

Claims (1)

1. 526273 爐。 7. 如申請專利範圍第5項所述之濺鍍靶的製造方法， 其中該熱塑性處理之溫度範圍爲750〜900°C，與該冷塑性 處理之溫度範圍爲300〜422°C。 8. —種濺鍍靶的製造方法，該濺鍍靶的組成如申請專 利範圍第1或2項所述者，該製造方法包括下列步驟： (a) 準備一局純度钻鑄條； (b) 使該高純度鈷鑄條進行一冷塑性處理，在一溫度低 於其HCP轉換溫度，且其一厚度減少不超過5% ◦ 9. 如申請專利範圍第5或8項所述之濺鍍靶的製造方 法，其中使該高純度鈷鑄條在複數個該冷塑性處理之間， 於該溫度下進行回火。 10. 如申請專利範圍第1或2項所述之濺鍍靶，其中 該鈷成份之X射線繞射波強度比値、FCC(200)/HCP(10-11) 小於0.5，且大部分之六面體的晶軸<0001>與靶的中垂線 之傾角約介於〇〜20° 。 11. 如申請專利範圍第1或2項所述之濺鍍靶，其中該 鈷成份之X射線繞射波強度比値、FCC(200)/HCP(1CM1) 小於0.5，且大部分之六面體的晶軸<0001>與靶的中垂線 之傾角約介於20〜45° 。 12. 如申請專利範圍第1或2項所述之濺鍍靶，其中 該鈷成份之X射線繞射波強度比値、FCC(200)/HCP(1(M1) 爲〇,且大部分之六面體的晶軸<〇〇〇1>與靶的中垂線之傾 角約介於〇〜20° 。 3772pif3.doc/008 16 526273 13.如申請專利範圍第1或2項所述之濺鍍靶，其中該 鈷成份之X射線繞射波強度比値、FCC(200)/HCP(1(M1) 爲〇，且大部分之六面體的晶軸<0001 >與靶的中垂線之傾 角約介於20〜45° 。 3772pifi.doc/008