WO2013141231A1 - タンタルスパッタリングターゲット及びその製造方法並びに同ターゲットを用いて形成した半導体配線用バリア膜 - 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並びに同ターゲットを用いて形成した半導体配線用バリア膜 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a tantalum sputtering target used for forming a barrier film of a copper wiring in a semiconductor device such as an LSI.
  • a barrier film made of tantalum or the like under the copper wiring is generally formed by sputtering a tantalum target.
  • a tantalum target is usually manufactured by forging, annealing, rolling, heat treatment, finishing, etc., an ingot or billet obtained by melting and casting a tantalum raw material.
  • the tantalum target and its manufacturing method the following techniques are known.
  • Patent Document 1 discloses that a tantalum target having a crystal structure in which the crystal orientation located at the center plane of the target is (222) preferential is manufactured, thereby improving the crystal orientation structure of the target and performing sputtering. It is described that the film uniformity (uniformity) can be improved, the quality of sputter film formation can be improved, and the production yield can be remarkably improved.
  • Patent Document 2 manufactures a tantalum target in which the area ratio of a crystal having any orientation of (100), (111), and (110) does not exceed 0.5 when the total sum of crystal orientations is 1.
  • the film formation rate is high, the film uniformity (uniformity) is excellent, the film formation characteristics with less arcing and particle generation are excellent, and the target utilization efficiency is also good.
  • Patent Document 3 by using a manufacturing method including a step of clock rolling a metal material, the texture band can be reduced and a uniform fine grain structure can be obtained over the entire surface and thickness of the metal material.
  • the true strain applied by forging is about 0.75 to about 2.0.
  • the present invention provides a tantalum sputtering target that can further improve the film thickness uniformity of a thin film formed by sputtering and can reduce variations in the resistance value (sheet resistance) of the film.
  • the task is to do.
  • the present inventors have conducted intensive research, and as a result, by controlling the true strain amount during forging, it is possible to control the variation in the crystal grain size of the target, thereby, It has been found that the uniformity of the film thickness (uniformity) of the thin film formed by sputtering this target can be further improved and the variation in the resistance value (sheet resistance) of the film can be reduced.
  • the present invention 1) A tantalum sputtering target, wherein the average crystal grain size of the target is 50 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less, and the variation of the crystal grain size in the target surface is 40% or more and 60% or less, 2) A barrier film for semiconductor wiring formed using the tantalum sputtering target described in 1) above, wherein the sheet resistance Rs variation with respect to the target life is 5.0% or less, and the film thickness uniformity with respect to the target life A barrier film for semiconductor wiring, wherein the variation of 3) An ingot or billet obtained by melting and casting a tantalum material with an electron beam is heat-treated at 900 ° C. to 1400 ° C., then forged, and then heat-treated at 850 ° C.
  • a manufacturing method is provided.
  • a sputtering target with an extremely uniform crystal grain size can be obtained by controlling the amount of true strain during forging.
  • the sputtering target adjusted in this way can remarkably improve the film thickness uniformity with respect to the target life of the thin film formed by sputtering, and also reduces variations in resistance value (sheet resistance) with respect to the target life of the thin film. It has an excellent effect of being able to.
  • Example of this invention is a schematic diagram which shows the location which measured the crystal grain diameter of the target.
  • Example of this invention and a comparative example it is a schematic diagram which shows the location which measured the sheet resistance value and film thickness of the thin film.
  • the tantalum sputtering target of the present invention can be manufactured by the following process. First, high purity tantalum having a purity of 99.99% or more is prepared as a tantalum raw material. Although there is no restriction
  • the sputtering target of the present invention can be obtained by performing a heat treatment at a temperature of ° C.-finishing (machining, polishing, etc.).
  • the cold forging and the subsequent heat treatment may be performed in one cycle, but may be repeated as necessary.
  • cold (hot) rolling and subsequent heat treatment may be performed in one cycle, but may be repeated as necessary.
  • Casting structure can be destroyed by forging or rolling, and pores and segregation can be diffused or disappeared. Furthermore, this can be recrystallized by heat treatment, and the target structure can be made dense by repeating this forging or rolling and heat treatment. And miniaturization and the strength of the target can be increased.
  • forging is preferably performed so that the true strain is 3.0 or more and 5.0 or less in order to control variation in the average crystal grain size of the target.
  • the true strain is calculated from the ratio of the height of the ingot or billet before and after forging. For example, when the thickness of the billet before forging is a and the thickness of the billet after forging is b, the true strain can be calculated by ln (a / b) (ln is a natural logarithm).
  • the evaluation is performed by the integrated value ⁇ ln (a / b) of the entire forging process.
  • the heat-treated forged product is cold-rolled (hot) at a reduction rate of 80% to 90%.
  • the non-recrystallized structure can be eliminated, and the variation in crystal grain size can be adjusted to a desired range.
  • the heat treatment after casting on the melt-cast tantalum ingot or billet is performed at a temperature of 900 ° C. to 1400 ° C.
  • the heat treatment after rolling is performed at a temperature of 750 ° C. to 1000 ° C. to make the structure fine and uniform. Is desirable.
  • the structure of the tantalum sputtering target thus obtained has an average crystal grain size of 50 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less, and the crystal grain size variation in the target plane is 40% or more and 60% or less.
  • the present invention can provide a tantalum sputtering target in which the variation in the crystal grain size of the target is controlled.
  • the variation in crystal grain size is 40% or more and 60% or less, more preferably 40% or more and 50% or less. If the variation in crystal grain size is too large, the film thickness uniformity and specific resistance variation of the sputtered thin film will deteriorate. Thus, stable sputtering characteristics can be obtained.
  • the crystal grain size was measured with an optical microscope using an analytical SIS FIVE (Soft imaging System) on a crystal structure photograph taken with a field of view of 1500 ⁇ m ⁇ 1200 ⁇ m.
  • the calculation of the crystal grain size was based on the average grain area method of ASTM, the crystal grain area was converted into a circle, and the diameter of the circle was defined as the crystal grain size.
  • the crystal grain size is measured at a total of five locations by sampling one target center, two R (diameter) ⁇ 1/2 points, and two R points (outer periphery). Went.
  • the thin film formed by sputtering the target of the present invention has a variation in sheet resistance Rs with respect to the target life of 5.0% or less, more preferably 4.0% or less, and even more preferably 3.0% or less. Further, the variation in sheet resistance Rs is preferably as small as possible, and can be achieved up to about 2.2% in the present invention.
  • the target life means the life of the target from the start of use of the target until the thickness of the target decreases due to the progress of erosion due to the sputtering phenomenon and the target cannot be used. This can be expressed as an integration of the power during sputtering and the total sputtering time. For example, at a power of 15 kW, the target life of a target that can be used for 100 hours is 1500 kWh.
  • the sheet resistance is 1 at the wafer center, 8 at R (diameter) ⁇ 1/3 point (45 ° interval), 16 at R (diameter) ⁇ 2/3 point (22.5 ° interval), A total of 49 points were measured by sampling 24 points (15 ° intervals) at the R point (outer periphery).
  • the thin film formed by sputtering the target of the present invention has a variation in film thickness uniformity with respect to the target life of 5.0% or less, more preferably 4.0% or less, and even more preferably 3.0% or less. . Further, the smaller the variation in film thickness uniformity, the better. In the present invention, it can be achieved up to about 1.2%.
  • the film thickness is 1 at the wafer center, 8 at R (diameter) ⁇ 1/3 point (45 ° interval), 16 at R (diameter) ⁇ 2/3 point (22.5 ° interval), A total of 49 points were measured by sampling 24 points (15 ° intervals) at the R point (outer periphery).
  • Example 1 A tantalum raw material with a purity of 99.997% was melted with an electron beam and cast into a billet having a thickness of 54 mm and a diameter of 195 mm ⁇ . Then, it heat-processed at 1200 degreeC. Next, the billet was forged at room temperature and then heat-treated at a temperature of 900 ° C. Next, this was forged and upset at room temperature, and again heat treated at a temperature of 900 ° C. Next, this was again forged and upset at room temperature, and heat-treated at a temperature of 900 ° C. As a result of repeatedly performing forging and heat treatment in this way, the integrated value of true strain in the entire forging process was 4.1.
  • Example 2 A tantalum raw material with a purity of 99.997% was melted with an electron beam and cast into a billet having a thickness of 54 mm and a diameter of 195 mm ⁇ . Then, it heat-processed at 1100 degreeC. Next, the billet was forged at room temperature and then heat-treated at a temperature of 900 ° C. Next, this was forged and upset at room temperature, and again heat treated at a temperature of 900 ° C. Next, this was again forged and upset at room temperature, and heat-treated at a temperature of 900 ° C. As a result of repeatedly performing forging and heat treatment in this way, the integrated value of true strain in the entire forging process was 4.1.
  • Example 3 A tantalum raw material with a purity of 99.997% was melted with an electron beam and cast into a billet having a thickness of 54 mm and a diameter of 195 mm ⁇ . Then, it heat-processed at 1200 degreeC. Next, the billet was forged at room temperature and then heat-treated at a temperature of 900 ° C. Next, this was forged and upset at room temperature, and again heat treated at a temperature of 900 ° C. Next, this was again forged and upset at room temperature, and heat-treated at a temperature of 900 ° C. As a result of repeatedly performing forging and heat treatment in this way, the integrated value of true strain in the entire forging process was 4.0.
  • Example 4 A tantalum raw material with a purity of 99.997% was melted with an electron beam and cast into a billet having a thickness of 54 mm and a diameter of 195 mm ⁇ . Then, it heat-processed at 1000 degreeC. Next, the billet was forged at room temperature and then heat-treated at a temperature of 900 ° C. Next, this was forged and upset at room temperature, and again heat treated at a temperature of 900 ° C. Next, this was again forged and upset at room temperature, and heat-treated at a temperature of 900 ° C. As a result of repeatedly performing forging and heat treatment in this manner, the integrated value of true strain in the entire forging process was 4.2.
  • Example 5 A tantalum raw material with a purity of 99.997% was melted with an electron beam and cast into a billet having a thickness of 54 mm and a diameter of 195 mm ⁇ . Then, it heat-processed at 1300 degreeC. Next, the billet was forged at room temperature and then heat-treated at a temperature of 900 ° C. Next, this was forged and upset at room temperature, and again heat treated at a temperature of 900 ° C. Next, this was again forged and upset at room temperature, and heat-treated at a temperature of 900 ° C. As a result of repeatedly performing forging and heat treatment in this manner, the integrated value of true strain in the entire forging process was 4.2.
  • Example 6 A tantalum raw material with a purity of 99.997% was melted with an electron beam and cast into a billet having a thickness of 54 mm and a diameter of 195 mm ⁇ . Then, it heat-processed at 1350 degreeC. Next, the billet was forged at room temperature and then heat-treated at a temperature of 850 ° C. Next, this was forged and upset at room temperature, and again heat treated at a temperature of 850 ° C. Next, this was again forged and upset at room temperature, and heat-treated at a temperature of 850 ° C. As a result of repeating forging and heat treatment in this way, the integrated value of true strain in the entire forging process was 4.4.
  • Example 7 A tantalum raw material with a purity of 99.997% was melted with an electron beam and cast into a billet having a thickness of 54 mm and a diameter of 195 mm ⁇ . Then, it heat-processed at 1200 degreeC. Next, the billet was forged at room temperature and then heat-treated at a temperature of 1250 ° C. Next, this was forged and upset at room temperature, and again heat treated at a temperature of 1100 ° C. Next, this was again forged and upset at room temperature, and heat-treated at a temperature of 1100 ° C. As a result of repeating forging and heat treatment in this way, the integrated value of true strain in the entire forging process was 3.8.
  • Example 8 A tantalum raw material with a purity of 99.997% was melted with an electron beam and cast into a billet having a thickness of 54 mm and a diameter of 195 mm ⁇ . Then, it heat-processed at 1200 degreeC. Next, the billet was forged at room temperature and then heat-treated at a temperature of 1000 ° C. Next, this was forged and upset at room temperature, and heat-treated again at a temperature of 1000 ° C. Next, this was again forged and upset at room temperature, and heat-treated at a temperature of 1000 ° C. Next, this was again forged and upset at room temperature, and heat-treated at a temperature of 1000 ° C. Next, this was again forged and upset at room temperature, and heat-treated at a temperature of 1000 ° C.
  • the integrated value of true strain in the entire forging process was 3.6.
  • it was cold-rolled at a reduction rate of 82%, then heat-treated at 900 ° C., and then subjected to finish processing to obtain a target having a thickness of 10 mm and a diameter of 450 mm ⁇ .
  • the target obtained by the above steps was analyzed with an electron microscope, the average crystal grain size was 102.1 ⁇ m, and the variation was 46.3%.
  • this target was sputtered to form a tantalum thin film on a silicon wafer (12 inches), and the sheet resistance was measured.
  • the sheet resistance Rs variation was 3.1%
  • the film thickness uniformity variation was 3.8%, both of which were very small and excellent in uniformity. It was.
  • any of Examples 1 to 8 it was confirmed that the variation in the average crystal grain size of the tantalum target was 40% or more and 60% or less. It was found that such a structure has a very important role in making the film thickness and specific resistance uniform.
  • the series of forging and heat treatment steps were repeated 3 to 4 times, but the true strain was 3.0 or more and 5.0 or less even once or other than the above. In some cases, good results have been obtained.
  • the present invention by controlling the variation in the average crystal grain size of the tantalum sputtering target, it is possible to improve the uniformity of the film thickness and specific resistance of the thin film formed using the target. Therefore, if the target of the present invention is used, it is possible to stably produce fine wiring. It is useful as a tantalum sputtering target used for forming a barrier film for a wiring layer in a semiconductor device.

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Abstract

 ターゲットの平均結晶粒径が50μm以上200μm以下であって、ターゲット面内の結晶粒径のバラツキが40%以上60%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。膜厚の均一性(ユニフォミティ)を向上させ、膜の抵抗値(シート抵抗)のバラツキを低減できるタンタル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。

Description

タンタルスパッタリングターゲット及びその製造方法並びに同ターゲットを用いて形成した半導体配線用バリア膜
 本発明は、LSIなどの半導体デバイスにおける銅配線のバリア膜を形成するために使用されるタンタルスパッタリングターゲットに関する。
 多層配線構造を有する半導体デバイスでは、タンタルなどからなるバリア膜を銅配線の下に形成することによって、銅の層間絶縁膜への拡散が防止されている。このようなタンタルバリア膜は、一般に、タンタルターゲットをスパッタリングすることによって形成されている。
 近年、半導体装置の高集積度化に伴い配線の微細化が進むにつれて、狭い配線溝や細いビアホールにバリア膜の膜厚を均一に成膜することが求められており、さらに、微細化に伴うバリア膜の抵抗値(シート抵抗値)のバラツキをより小さくすることが求められている。
 タンタルターゲットは、通常、タンタル原料を電子ビーム溶解・鋳造したインゴット又はビレットを、鍛造、焼鈍、圧延加工、熱処理及び仕上げ加工等することによって、製造されている。ここで、タンタルターゲット及びその製造方法に関して、次のような技術が知られている。
 例えば、特許文献1には、ターゲットの中心面に位置する結晶配向が(222)優先である結晶組織を備えているタンタルターゲットを製造することにより、ターゲットの結晶配向の組織を改善し、スパッタリングを実施した際の、膜の均一性(ユニフォミティ)を良好にし、スパッタ成膜の品質を向上させ、さらに製造歩留まりを著しく向上できることが記載されている。
 特許文献2には、全体の結晶配向の総和を1とした時に(100)、(111)、(110)のいずれの配向を有する結晶も面積率が0.5を超えないタンタルターゲットを製造することにより、成膜速度が大きく、膜の均一性(ユニフォミティ)に優れ、またアーキングやパーティクルの発生が少ない成膜特性に優れ、さらにターゲットの利用効率も良好であることが記載されている。
 特許文献3には、金属材をクロック圧延する工程を含む製造方法を用いることにより、集合組織バンドを低減して、金属材の表面及び厚さ全体に亘って均一な細粒組織を得ることが記載されている。また、鍛造によって付与する真歪を約0.75~約2.0とすることが記載されている。
特開2004-27358号公報 国際公開第2005/045090号 特表2008-532765号公報
 一般に、タンタルスパッタリングをスパッタして微細配線のバリア膜を形成すると、膜厚が不均一になったり、膜の抵抗値にバラツキが生じたりして、半導体装置の品質を劣化させる問題がある。
 この問題を解決するために、上記に挙げた文献に記載されているように、スパッタリングターゲットを構成する結晶の配向を特定の方位に揃えたり、分散(ランダム)させたりすることにより、スパッタにより形成した膜の均一性を向上させることが考えられる。
 しかし、近年の半導体装置の高集積度化に伴う超微細配線の下では、スパッタ成膜した薄膜の均一性を、より一層向上させる必要があり、また、膜の抵抗値(シート抵抗)のばらつきを厳格に制御する必要があり、結晶配向を調整するだけでは不十分であった。
 そこで、本発明は上記の問題に鑑みて、スパッタリングによって形成した薄膜の膜厚均一性をより向上させ、また、膜の抵抗値(シート抵抗)のバラツキを低減させることができるタンタル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。
 上記の課題を解決するために、本発明者らは鋭意研究を行った結果、鍛造時の真歪量を制御することにより、ターゲットの結晶粒径のバラツキを制御することができ、それにより、このターゲットをスパッタリングして形成した薄膜の膜厚の均一性(ユニフォミティ)をより一層向上させることができるとともに、その膜の抵抗値(シート抵抗)のバラツキを低減できることを見出した。
 このような知見に基づき、本発明は、
 1)ターゲットの平均結晶粒径が50μm以上200μm以下であって、ターゲット面内の結晶粒径のバラツキが40%以上60%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)上記1)記載のタンタルスパッタリングターゲットを用いて形成した半導体配線用バリア膜であって、ターゲットライフに対するシート抵抗Rsのバラツキが5.0%以下であり、かつ、ターゲットライフに対する膜厚均一性のバラツキが5.0%以下であることを特徴とする半導体配線用バリア膜、
 3)タンタル原料を電子ビーム溶解・鋳造したインゴット又はビレットを900℃以上1400℃以下で熱処理し、次に、鍛造を行い、その後850℃以上1100℃以下で熱処理して、真歪3.0以上5.0以下とし、次に、圧下率80%以上90%以下で圧延を行い、その後750℃以上1000℃以下で熱処理し、さらに、これをターゲット形状に仕上げ加工することを特徴とするタンタルターゲットの製造方法、を提供する。
 このように、スパッタリングターゲットを製造する際、鍛造時の真歪の量を制御することにより、結晶粒径が極めて均一なスパッタリングターゲットを得ることができる。
 また、このように調整したスパッタリングターゲットは、スパッタリングによって形成した薄膜のターゲットライフに対する膜厚均一性を著しく向上することができ、さらに、その薄膜のターゲットライフに対する抵抗値(シート抵抗)のバラツキも低減することができるという優れた効果を有する。
本発明の実施例、比較例において、ターゲットの結晶粒径を測定した箇所を示す模式図である。 本発明の実施例、比較例において、薄膜のシート抵抗値及び膜厚を測定した箇所を示す模式図である。
 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ことができる。
 まず、タンタル原料として純度99.99%以上の高純度タンタルを用意する。純度に特に制限はないが、良好なデバイス特性を得るためには高純度のものが好ましい。 
 次に、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。そして、このインゴット又はビレットを、熱処理-鍛造-熱処理-圧延-熱処理-仕上げ加工等の一連の加工を行う。
 例えば、インゴット-900℃~1400℃の温度での熱処理-冷間鍛造(据え込み鍛造及び鍛伸)-850℃~1100℃の温度での熱処理-冷間(熱間)圧延-750℃~1100℃の温度での熱処理-仕上げ加工(機械加工、研磨加工等)を行うことにより、本発明のスパッタリングターゲットを得ることができる。
 上記の加工プロセスにおいて、冷間鍛造とその後の熱処理は1サイクルでもよいが、必要に応じて繰り返し行ってもよい。また、冷間(熱間)圧延と、その後の熱処理も1サイクルでもよいが、必要に応じて繰り返し行ってもよい。これによって、ターゲットの組織上の欠陥を効果的に減少させることができる。
 鍛造あるいは圧延によって、鋳造組織を破壊し、気孔や偏析を拡散あるいは消失させることができ、さらに、これを熱処理することにより再結晶化させ、この鍛造又は圧延と熱処理の繰り返しによって、ターゲット組織の緻密化と微細化及びターゲットの強度を高めることができる。
 本発明では、ターゲットの平均結晶粒径のバラツキを制御するために、真歪を3.0以上5.0以下となるように鍛造を行うことが望ましい。ここで、真歪は、鍛造前後のインゴット又はビレットの高さの比から算出される。例えば、鍛造前のビレットの厚さをaとし、鍛造後のビレットの厚さをbとした場合、真歪はln(a/b)で算出することができる(lnは自然対数である)。上述したような冷間鍛造とその後の熱処理を繰り返し行う場合には、鍛造工程全体の積算値Σln(a/b)で評価する。
 また、本発明では、熱処理した鍛造品を、圧下率80%以上90%以下で冷間(熱間)圧延を行うことが望ましい。これにより、未再結晶組織を消失させることができ、かつ結晶粒径のバラツキを所望の範囲に調整することができる。
 また、本発明では、一連の加工において、鋳造・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ことが必要である。本発明において、溶解鋳造したタンタルインゴット又はビレットに鋳造後の熱処理を900℃~1400℃の温度で行い、圧延後の熱処理を750℃~1000℃の温度で行い、組織を微細で均一化するのが望ましい。
 このようにして得られたタンタルスパッタリングターゲットの組織は、平均結晶粒径が50μm以上200μm以下であって、ターゲット面内の結晶粒径のバラツキが40%以上60%以下となる。このように、本発明はターゲットの結晶粒径のバラツキが制御されたタンタルスパッタリングターゲットを得ることができる。
 本発明において、結晶粒径のバラツキは40%以上60%以下、より好ましくは40%以上50%以下とする。結晶粒径のバラツキが大きすぎると、スパッタ成膜した薄膜の膜厚均一性や比抵抗のバラツキが悪化することとなり、一方、結晶粒径のバラツキをある程度もたせることで、ターゲット組織は混粒組織となって、安定的なスパッタ特性が得られる。
 結晶粒径のバラツキは、ターゲット面内5箇所における結晶粒径を測定し、その平均値と標準偏差を算出して、バラツキ(%)=標準偏差/平均値×100を求めた。
 なお、結晶粒径は、光学顕微鏡にて、1500μm×1200μmの視野で撮影した結晶組織写真に対して、analySIS FIVE(Soft imaging Sysytem)を用いて測定した。結晶粒径の算出は、ASTMの平均結晶粒面積法に準拠し、結晶粒の面積を円換算して、その円の直径を結晶粒径とした。また、結晶粒径は、図1に示すように、ターゲット中心を1箇所、R(径)×1/2地点を2箇所、R地点(外周部)を2箇所サンプリングして、計5箇所測定を行った。
 本発明のターゲットをスパッタリングして形成した薄膜は、ターゲットライフに対するシート抵抗Rsのバラツキが5.0%以下、より好ましくは4.0%以下、さらに好ましくは3.0%以下である。また、シート抵抗Rsのバラツキは小さいほどよく、本発明では2.2%程度まで達成可能である。
 ここで、ターゲットライフとは、ターゲットの使用開始から、スパッタリング現象によるエロージョンの進行によってターゲットの厚みが減少して、ターゲットとして使用できなくなるまでのターゲットの寿命を意味する。
 これはスパッタリング時の電力と総スパッタリング時間との積算で表すことができ、例えば、15kWの電力において、100時間使用可能なターゲットのターゲットライフは1500kWhとなる。
 本発明において、ターゲットライフに対するシート抵抗Rsのバラツキは、300kWh毎に1枚のウエハに対してスパッタリングを行い、各ウエハ面内49箇所におけるシート抵抗Rsの平均値を求め、これを用いて、ウエハ間の平均値と標準偏差を算出することにより、ターゲットライフに対するバラツキ(%)=ウエハ間の標準偏差/ウエハ間の平均値×100を求めた。
 なお、シート抵抗は、ウエハ中心を1箇所、R(径)×1/3地点を8箇所(45°間隔)、R(径)×2/3地点を16箇所(22.5°間隔)、R地点(外周部)を24箇所(15°間隔)サンプリングして、計49箇所測定を行った。
 また、本発明のターゲットをスパッタリングして形成した薄膜は、ターゲットライフに対する膜厚均一性のバラツキが5.0%以下、より好ましくは4.0%以下、さらに好ましくは3.0%以下である。また、膜厚均一性のバラツキは小さいほどよく、本発明では1.2%程度まで達成可能である。
 本発明において、ターゲットライフに対する膜厚均一性のバラツキは、300kWh毎に1枚のウエハに対してスパッタリングを行い、各ウエハ面内49箇所における膜厚の平均値を求め、これを用いて、ウエハ間の平均値と標準偏差を算出することにより、ターゲットライフに対する膜厚均一性のバラツキ(%)=ウエハ間の標準偏差/ウエハ間の平均値×100を求めた。
 なお、膜厚は、ウエハ中心を1箇所、R(径)×1/3地点を8箇所(45°間隔)、R(径)×2/3地点を16箇所(22.5°間隔)、R地点(外周部)を24箇所(15°間隔)サンプリングして、計49箇所測定を行った。
 以下、実施例および比較例に基づいて説明する。なお、本実施例はあくまで一例であり、この例によって何ら制限されるものではない。すなわち、本発明は特許請求の範囲によってのみ制限されるものであり、本発明に含まれる実施例以外の種々の変形を包含するものである。
(実施例1)
 純度99.997%のタンタル原料を電子ビーム溶解し、これを鋳造して厚さ54mm、直径195mmφのビレットとした。その後、1200℃で熱処理した。次に、このビレットを室温で鍛伸した後、900℃の温度で熱処理した。次に、これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、再び900℃の温度で熱処理を実施した。次に、再びこれを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、900℃の温度で熱処理を実施した。このように鍛造と熱処理を繰り返し行った結果、鍛造工程全体の真歪の積算値は4.1であった。次いで圧下率88%で冷間圧延し、次に800℃で熱処理を行い、その後仕上げ加工を行って厚さ10mm、直径450mmφのターゲットとした。
 以上の工程により得られたターゲットを電子顕微鏡で解析したところ、平均結晶粒径が68.1μmであり、そのバラツキは47.9%であった。また、このターゲットをスパッタリングして、シリコンウエハ(12インチ)にタンタル薄膜を形成し、シート抵抗を測定した。その結果、表1に示すように、シート抵抗Rsのバラツキが2.3%、膜厚均一性のバラツキが2.0%といずれも小さく、均一性に優れた非常に良好な薄膜が得られた。
(実施例2)
 純度99.997%のタンタル原料を電子ビーム溶解し、これを鋳造して厚さ54mm、直径195mmφのビレットとした。その後、1100℃で熱処理した。次に、このビレットを室温で鍛伸した後、900℃の温度で熱処理した。次に、これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、再び900℃の温度で熱処理を実施した。次に、再度これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、900℃の温度で熱処理を実施した。このように鍛造と熱処理を繰り返し行った結果、鍛造工程全体の真歪の積算値は4.1であった。次いで圧下率88%で冷間圧延し、次に800℃で熱処理を行い、その後仕上げ加工を行って厚さ10mm、直径450mmφのターゲットとした。
 以上の工程により得られたターゲットを電子顕微鏡で解析したところ、平均結晶粒径が69.7μmであり、そのバラツキは47.3%であった。また、このターゲットをスパッタリングして、シリコンウエハ(12インチ)にタンタル薄膜を形成し、シート抵抗を測定した。その結果、表1に示すように、シート抵抗Rsのバラツキが4.5%、膜厚均一性のバラツキが1.2%といずれも小さく、均一性に優れた非常に良好な薄膜が得られた。
(実施例3)
 純度99.997%のタンタル原料を電子ビーム溶解し、これを鋳造して厚さ54mm、直径195mmφのビレットとした。その後、1200℃で熱処理した。次に、このビレットを室温で鍛伸した後、900℃の温度で熱処理した。次に、これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、再び900℃の温度で熱処理を実施した。次に、再度これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、900℃の温度で熱処理を実施した。このように鍛造と熱処理を繰り返し行った結果、鍛造工程全体の真歪の積算値は4.0であった。次いで圧下率87%で冷間圧延し、次に850℃で熱処理を行い、その後仕上げ加工を行って厚さ10mm、直径450mmφのターゲットとした。
 以上の工程により得られたターゲットを電子顕微鏡で解析したところ、平均結晶粒径が71.0μmであり、そのバラツキは50.1%であった。また、このターゲットをスパッタリングして、シリコンウエハ(12インチ)にタンタル薄膜を形成し、シート抵抗を測定した。その結果、表1に示すように、シート抵抗Rsのバラツキが3.7%、膜厚均一性のバラツキが1.2%といずれも小さく、均一性に優れた非常に良好な薄膜が得られた。
(実施例4)
 純度99.997%のタンタル原料を電子ビーム溶解し、これを鋳造して厚さ54mm、直径195mmφのビレットとした。その後、1000℃で熱処理した。次に、このビレットを室温で鍛伸した後、900℃の温度で熱処理した。次に、これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、再び900℃の温度で熱処理を実施した。次に、再度これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、900℃の温度で熱処理を実施した。このように鍛造と熱処理を繰り返し行った結果、鍛造工程全体の真歪の積算値は4.2であった。次いで圧下率88%で冷間圧延し、次に800℃で熱処理を行い、その後仕上げ加工を行って厚さ10mm、直径450mmφのターゲットとした。
 以上の工程により得られたターゲットを電子顕微鏡で解析したところ、平均結晶粒径が67.9μmであり、そのバラツキは48.2%であった。また、このターゲットをスパッタリングして、シリコンウエハ(12インチ)にタンタル薄膜を形成し、シート抵抗を測定した。その結果、表1に示すように、シート抵抗Rsのバラツキが2.3%、膜厚均一性のバラツキが2.1%といずれも小さく、均一性に優れた非常に良好な薄膜が得られた。
(実施例5)
 純度99.997%のタンタル原料を電子ビーム溶解し、これを鋳造して厚さ54mm、直径195mmφのビレットとした。その後、1300℃で熱処理した。次に、このビレットを室温で鍛伸した後、900℃の温度で熱処理した。次に、これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、再び900℃の温度で熱処理を実施した。次に、再度これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、900℃の温度で熱処理を実施した。このように鍛造と熱処理を繰り返し行った結果、鍛造工程全体の真歪の積算値は4.2であった。次いで圧下率88%で冷間圧延し、次に800℃で熱処理を行い、その後仕上げ加工を行って厚さ10mm、直径450mmφのターゲットとした。
 以上の工程により得られたターゲットを電子顕微鏡で解析したところ、平均結晶粒径が70.3μmであり、そのバラツキは48.2%であった。また、このターゲットをスパッタリングして、シリコンウエハ(12インチ)にタンタル薄膜を形成し、シート抵抗を測定した。その結果、表1に示すように、シート抵抗Rsのバラツキが2.2%、膜厚均一性のバラツキが3.9%といずれも小さく、均一性に優れた非常に良好な薄膜が得られた。
(実施例6)
 純度99.997%のタンタル原料を電子ビーム溶解し、これを鋳造して厚さ54mm、直径195mmφのビレットとした。その後、1350℃で熱処理した。次に、このビレットを室温で鍛伸した後、850℃の温度で熱処理した。次に、これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、再び850℃の温度で熱処理を実施した。次に、再度これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、850℃の温度で熱処理を実施した。このように鍛造と熱処理を繰り返し行った結果、鍛造工程全体の真歪の積算値は4.4であった。次いで圧下率89%で冷間圧延し、次に750℃で熱処理を行い、その後仕上げ加工を行って厚さ10mm、直径450mmφのターゲットとした。
 以上の工程により得られたターゲットを電子顕微鏡で解析したところ、平均結晶粒径が34.4μmであり、そのバラツキは53.6%であった。また、このターゲットをスパッタリングして、シリコンウエハ(12インチ)にタンタル薄膜を形成し、シート抵抗を測定した。その結果、表1に示すように、シート抵抗Rsのバラツキが3.5%、膜厚均一性のバラツキが4.7%といずれも小さく、均一性に優れた非常に良好な薄膜が得られた。
(実施例7)
 純度99.997%のタンタル原料を電子ビーム溶解し、これを鋳造して厚さ54mm、直径195mmφのビレットとした。その後、1200℃で熱処理した。次に、このビレットを室温で鍛伸した後、1250℃の温度で熱処理した。次に、これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、再び1100℃の温度で熱処理を実施した。次に、再度これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、1100℃の温度で熱処理を実施した。このように鍛造と熱処理を繰り返し行った結果、鍛造工程全体の真歪の積算値は3.8であった。
次いで圧下率85%で冷間圧延し、次に1000℃で熱処理を行い、その後仕上げ加工を行って厚さ10mm、直径450mmφのターゲットとした。
 以上の工程により得られたターゲットを電子顕微鏡で解析したところ、平均結晶粒径が154.3μmであり、そのバラツキは43.4%であった。また、このターゲットをスパッタリングして、シリコンウエハ(12インチ)にタンタル薄膜を形成し、シート抵抗を測定した。その結果、表1に示すように、シート抵抗Rsのバラツキが3.0%、膜厚均一性のバラツキが2.6%といずれも小さく、均一性に優れた非常に良好な薄膜が得られた。
(実施例8)
 純度99.997%のタンタル原料を電子ビーム溶解し、これを鋳造して厚さ54mm、直径195mmφのビレットとした。その後、1200℃で熱処理した。次に、このビレットを室温で鍛伸した後、1000℃の温度で熱処理した。次に、これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、再び1000℃の温度で熱処理を実施した。次に、再度これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、1000℃の温度で熱処理を実施した。次に、再度これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、1000℃の温度で熱処理を実施した。このように鍛造と熱処理を繰り返し行った結果、鍛造工程全体の真歪の積算値は3.6であった。次いで、圧下率82%で冷間圧延し、次に900℃で熱処理を行い、その後仕上げ加工を行って厚さ10mm、直径450mmφのターゲットとした。
 以上の工程により得られたターゲットを電子顕微鏡で解析したところ、平均結晶粒径が102.1μmであり、そのバラツキは46.3%であった。また、このターゲットをスパッタリングして、シリコンウエハ(12インチ)にタンタル薄膜を形成し、シート抵抗を測定した。その結果、表1に示すように、シート抵抗Rsのバラツキが3.1%、膜厚均一性のバラツキが3.8%といずれも小さく、均一性に優れた非常に良好な薄膜が得られた。
(比較例1)
 純度99.997%のタンタル原料を電子ビーム溶解し、これを鋳造して厚さ54mm、直径195mmφのビレットとした。その後、1200℃で熱処理した。次に、このビレットを室温で鍛伸した後、1100℃の温度で熱処理した。次に、これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、再び1100℃の温度で熱処理を実施した。次に、再度これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、1100℃の温度で熱処理を実施した。このように鍛造と熱処理を繰り返し行った結果、鍛造工程全体の真歪の積算値は2.2であった。次いで、圧下率82%で冷間圧延し、次に1000℃で熱処理を行い、その後仕上げ加工を行って厚さ10mm、直径450mmφのターゲットとした。
 以上の工程により得られたターゲットを電子顕微鏡で解析したところ、平均結晶粒径が137.9μmであり、そのバラツキは36.7%であった。また、このターゲットをスパッタリングして、シリコンウエハ(12インチ)にタンタル薄膜を形成し、シート抵抗を測定した。その結果、表1に示すように、シート抵抗Rsのバラツキが3.2%と小さいが、膜厚均一性のバラツキが6.9%と大きく、均一性に劣る薄膜が得られた。
(比較例2)
 純度99.997%のタンタル原料を電子ビーム溶解し、これを鋳造して厚さ54mm、直径195mmφのビレットとした。その後、1100℃で熱処理した。次に、このビレットを室温で鍛伸した後、1100℃の温度で熱処理した。次に、これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、再び1100℃の温度で熱処理を実施した。次に、再度これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、1100℃の温度で熱処理を実施した。このように鍛造と熱処理を繰り返し行った結果、鍛造工程全体の真歪の積算値は2.4であった。次いで、圧下率82%で冷間圧延し、次に1000℃で熱処理を行い、その後仕上げ加工を行って厚さ10mm、直径450mmφのターゲットとした。
 以上の工程により得られたターゲットを電子顕微鏡で解析したところ、平均結晶粒径が137.0μmであり、そのバラツキは36.1%であった。また、このターゲットをスパッタリングして、シリコンウエハ(12インチ)にタンタル薄膜を形成し、シート抵抗を測定した。その結果、表1に示すように、シート抵抗Rsのバラツキが6.3%、膜厚均一性のバラツキが5.3%といずれも大きく、均一性に非常に劣る薄膜が得られた。
(比較例3)
 純度99.997%のタンタル原料を電子ビーム溶解し、これを鋳造して厚さ54mm、直径195mmφのビレットとした。その後、1350℃で熱処理した。次に、このビレットを室温で鍛伸した後、1100℃の温度で熱処理した。次に、これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、再び1100℃の温度で熱処理を実施した。次に、再度これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、1100℃の温度で熱処理を実施した。このように鍛造と熱処理を繰り返し行った結果、鍛造工程全体の真歪の積算値は2.2であった。
次いで圧下率82%で冷間圧延し、次に1000℃で熱処理を行い、その後仕上げ加工を行って厚さ10mm、直径450mmφのターゲットとした。
 以上の工程により得られたターゲットを電子顕微鏡で解析したところ、平均結晶粒径が135.9μmであり、そのバラツキは37.3%であった。また、このターゲットをスパッタリングして、シリコンウエハ(12インチ)にタンタル薄膜を形成し、シート抵抗を測定した。その結果、表1に示すように、シート抵抗Rsのバラツキが4.6%と小さいが、膜厚均一性のバラツキが6.3%と大きく、均一性に劣る薄膜が得られた。
(比較例4)
 純度99.997%のタンタル原料を電子ビーム溶解し、これを鋳造して厚さ54mm、直径195mmφのビレットとした。その後、1300℃で熱処理した。次に、このビレットを室温で鍛伸した後、900℃の温度で熱処理した。次に、これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、再び900℃の温度で熱処理を実施した。次に、再度これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、900℃の温度で熱処理を実施した。このように鍛造と熱処理を繰り返し行った結果、鍛造工程全体の真歪の積算値は5.2であった。次いで圧下率91%で冷間圧延し、次に800℃で熱処理を行い、その後仕上げ加工を行って厚さ10mm、直径450mmφのターゲットとした。
 以上の工程により得られたターゲットを電子顕微鏡で解析したところ、平均結晶粒径が50.0μmであり、そのバラツキは23.6%であった。また、このターゲットをスパッタリングして、シリコンウエハ(12インチ)にタンタル薄膜を形成し、シート抵抗を測定した。その結果、表1に示すように、膜厚均一性のバラツキが3.5%と小さいが、シート抵抗Rsのバラツキが6.5%と大きく、均一性に劣る薄膜が得られた。
(比較例5)
 純度99.997%のタンタル原料を電子ビーム溶解し、これを鋳造して厚さ54mm、直径195mmφのビレットとした。その後、1100℃で熱処理した。次に、このビレットを室温で鍛伸した後、900℃の温度で熱処理した。次に、これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、再び900℃の温度で熱処理を実施した。次に、再度これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、900℃の温度で熱処理を実施した。このように鍛造と熱処理を繰り返し行った結果、鍛造工程全体の真歪の積算値は5.3であった。次いで圧下率91%で冷間圧延し、次に800℃で熱処理を行い、その後仕上げ加工を行って厚さ10mm、直径450mmφのターゲットとした。
 以上の工程により得られたターゲットを電子顕微鏡で解析したところ、平均結晶粒径が67.1μmであり、そのバラツキは22.2%であった。また、このターゲットをスパッタリングして、シリコンウエハ(12インチ)にタンタル薄膜を形成し、シート抵抗を測定した。その結果、表1に示すように、シート抵抗Rsのバラツキが3.7%と小さいが、膜厚均一性のバラツキが6.3%と大きく、均一性に劣る薄膜が得られた。
(比較例6)
 純度99.997%のタンタル原料を電子ビーム溶解し、これを鋳造して厚さ54mm、直径195mmφのビレットとした。その後、1300℃で熱処理した。次に、このビレットを室温で鍛伸した後、1000℃の温度で熱処理した。次に、これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、再び1000℃の温度で熱処理を実施した。次に、再度これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、1000℃の温度で熱処理を実施した。このように鍛造と熱処理を繰り返し行った結果、鍛造工程全体の真歪の積算値は5.5であった。次いで圧下率95%で冷間圧延し、次に900℃で熱処理を行い、その後仕上げ加工を行って厚さ10mm、直径450mmφのターゲットとした。
 以上の工程により得られたターゲットを電子顕微鏡で解析したところ、平均結晶粒径が99.8μmであり、そのバラツキは35.8%であった。また、このターゲットをスパッタリングして、シリコンウエハ(12インチ)にタンタル薄膜を形成し、シート抵抗を測定した。その結果、表1に示すように、シート抵抗Rsのバラツキが2.9%と小さいが、膜厚均一性のバラツキが5.6%と大きく、均一性に劣る薄膜が得られた。
(比較例7)
 純度99.997%のタンタル原料を電子ビーム溶解し、これを鋳造して厚さ54mm、直径195mmφのビレットとした。その後、1100℃で熱処理した。次に、このビレットを室温で鍛伸した後、850℃の温度で熱処理した。次に、これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、再び850℃の温度で熱処理を実施した。次に、再度これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、850℃の温度で熱処理を実施した。このように鍛造と熱処理を繰り返し行った結果、鍛造工程全体の真歪の積算値は5.4であった。次いで圧下率95%で冷間圧延し、次に775℃で熱処理を行い、その後仕上げ加工を行って厚さ10mm、直径450mmφのターゲットとした。
 以上の工程により得られたターゲットを電子顕微鏡で解析したところ、平均結晶粒径が39.0μmであり、そのバラツキは66.2%であった。また、このターゲットをスパッタリングして、シリコンウエハ(12インチ)にタンタル薄膜を形成し、シート抵抗を測定した。その結果、表1に示すように、シート抵抗Rsのバラツキが2.8%と小さいが、膜厚均一性のバラツキが17.3%と大きく、均一性に劣る薄膜が得られた。
(比較例8)
 純度99.997%のタンタル原料を電子ビーム溶解し、これを鋳造して厚さ54mm、直径195mmφのビレットとした。その後、1200℃で熱処理した。次に、このビレットを室温で鍛伸した後、1200℃の温度で熱処理した。次に、これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、再び1200℃の温度で熱処理を実施した。次に、再度これを室温で鍛伸及び据え込み鍛造し、1200℃の温度で熱処理を実施した。このように鍛造と熱処理を繰り返し行った結果、鍛造工程全体の真歪の積算値は2.0であった。
次いで、圧下率80%で冷間圧延し、次に1100℃で熱処理を行い、その後仕上げ加工を行って厚さ10mm、直径450mmφのターゲットとした。
 以上の工程により得られたターゲットを電子顕微鏡で解析したところ、平均結晶粒径が214.3μmであり、そのバラツキは67.2%であった。また、このターゲットをスパッタリングして、シリコンウエハ(12インチ)にタンタル薄膜を形成し、シート抵抗を測定した。その結果、表1に示すように、シート抵抗Rsのバラツキが6.6%、膜厚均一性のバラツキが16.2%といずれも大きく、均一性に優れた非常に良好な薄膜が得られた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 このように、実施例1~8のいずれにおいてもタンタルターゲットの平均結晶粒径のバラツキは40%以上60%以下であることが確認された。こうした組織構造が、膜厚や比抵抗を均一にするために非常に重要な役割を有することが分かった。
 また、実施例1~8では、鍛造と熱処理の一連の工程を3~4回繰り返し行ったが、1回又は前記以外の繰り返し回数であっても真歪が3.0以上5.0以下であるときは、良好な結果が得られた。
 本発明は、タンタルスパッタリングターゲットの平均結晶粒径のバラツキを制御することにより、そのターゲットを用いて形成した薄膜の膜厚や比抵抗に均一性を向上することができる。したがって、本発明のターゲットを使用すれば、微細な配線を安定的に作製することが可能となる。半導体装置における配線層用バリア膜を成膜するのに使用されるタンタルスパッタリングターゲットとして有用である。

Claims (3)

  1.  ターゲットの平均結晶粒径が50μm以上200μm以下であって、ターゲット面内の結晶粒径のバラツキが40%以上60%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.  請求項1記載のタンタルスパッタリングターゲットを用いて形成した半導体配線用バリア膜であって、ターゲットライフに対するシート抵抗Rsのバラツキが5.0%以下であり、かつ、ターゲットライフに対する膜厚均一性のバラツキが5.0%以下であることを特徴とする半導体配線用バリア膜。
  3.  タンタル原料を電子ビーム溶解・鋳造したインゴット又はビレットを900℃以上1400℃以下で熱処理し、次に、鍛造を行い、その後850℃以上1100℃以下で熱処理して、真歪3.0以上5.0以下とし、次に、圧下率80%以上90%以下で圧延を行い、その後750℃以上1000℃以下で熱処理し、さらに、これをターゲット形状に仕上げ加工することを特徴とするタンタルターゲットの製造方法。
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