CN100439559C

CN100439559C - 钽基化合物的陶瓷溅镀靶材及其应用方法和制备方法

Info

Publication number: CN100439559C
Application number: CNB2005100649111A
Authority: CN
Inventors: 赵勤孝; 李仲仁
Original assignee: GUANGYANG APPLIED MATERIAL SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: GUANGYANG APPLIED MATERIAL SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd; Solar Applied Material Technology Corp
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2025-04-08
Also published as: CN1844446A

Abstract

本发明为一种用于铜金属化处理阻碍层的钽基化合物的陶瓷溅镀靶材，其具有以下的组成：Ta₁C_xN_yO_z；0＜(x+y+z)＜2.5；0≤x＜1.5；0≤y＜1.7；0≤z＜2.5；其中，通过直接使用上述的靶材进行溅镀，可以简化传统反应性溅镀阻碍层的操作手续，并减少设备的污染，以节省溅镀成本。本发明中同时揭露有该钽基化合物陶瓷溅镀靶材的应用方法和制备方法。

Description

钽基化合物的陶瓷溅镀靶材及其应用方法和制备方法

技术领域

本发明关于一种陶瓷溅镀靶材，特别是一种用于铜金属化处理阻碍层的钽基化合物的陶瓷溅镀靶材及其应用方法和制备方法。

背景技术

铜金属化处理中的扩散阻碍层对半导体产业是非常重要的，主要在铜金属层与绝缘氧化层之间形成该阻碍层；对于TFT-LCD的生产也是同样重要，其为在新的铜金属层堆栈之前形成于铜层与氧化栅极之间，以结构上来说构成：玻璃基质/铜层/阻碍层/氧化栅极。同时，该种扩散阻碍层也成为光学读写(optical recording)使用上取代ZnS/SiO₂的选择，材质上的选择也十分多种，例如，现今所使用的氮化钽(TaN)阻碍层由纯金属靶材进行「反应性溅镀」而形成，然而，该反应性的溅镀程序会因靶材的组成而限制了阻碍层的适应性(tuning)，也因此限制了铜金属薄层(thin film)的导电调整性，举例来说，TaN的电阻率即高达560μΩm，对于讲求低电阻率的阻碍层来说极为不利。一般对于铜金属化制程中该种扩散阻碍层的性能要求，其包含有：低电阻率(low resistivity)、高抗电子迁移能力、低金属扩散系数、低欧姆接触、热稳定性佳，且附着性良好的特质。

另一种新兴的材质为耐火金属的碳化物，其比起氮化物来说具有较低的电阻率，因此更适用于作为阻碍层的应用。然而，要以反应溅镀技术制作碳化物的薄膜更为困难，同时会因为含碳气体本身在溅镀的环境下会形成碳黑颗粒，沉积于设备中造成溅镀设备严重的污染问题，并产生剧烈的粒子发散现象(severe particle emission)。

另外，从硅氧化栅极(gate oxide)到其它的材料(如元素钽，铬)，都已经得知皆有氮氧化合物的阻碍层，其较之于纯氧化层来说更具有效果，因为氮氧化物会形成非晶相的薄膜，但是其在合成该种氮氧化合物时，在操作上必须要导入氮气或氧气与惰性气体混合，以提供合成时进行反应性溅镀所需要的氮成份或氧成份，因此在操作上较为麻烦，同时需要因为气体的导入进一步监控***压力的稳定。

在现有的技术中虽然有以陶瓷靶材形成氮化钽(TaN)薄膜的技术，但是其因为无法达到足够的密度以应用于溅镀制程中的技术问题仍待克服。

发明内容

因此，有鉴于现有钽基组成物材料特性上，仍有进一步改进的空间，本发明人特别提出一种用于铜金属化处理阻碍层之钽基化合物的陶瓷溅镀靶材，以期增进铜金属化处理中的扩散阻碍层的性质，并同时克服现有技术在操作上的缺点。

本发明的主要目的在于提供一种用于铜金属化处理阻碍层的钽基化合物的陶瓷溅镀靶材，其具有以下的组成：

Ta1C_xN_yO_z

0＜(x+y+z)＜2.5；

0＜x＜1.5；

0≤y＜1.7；

0≤z＜2.5；

其中，当组成中含有氧元素，而达到形成非晶相阻碍层的目的，并且不会明显降低铜层电与热的传导性；当在组成中添加碳元素，而达到阻碍层具有极佳的热稳定性的目的。

本发明中另一目的为提供一种前述钽基化合物陶瓷溅镀靶材用于铜金属化处理阻碍层之应用方法，其包含有下列步骤：

准备一溅镀基材与一前述组成的钽基化合物的陶瓷溅镀靶材；与

将溅镀基材与钽基化合物的陶瓷溅镀靶材置入一磁控溅镀***中进行溅镀操作，以于基材表面形成一钽基化合物的阻碍层。

本发明中另一目的为提供一种前述钽基化合物陶瓷溅镀靶材的制备方法，其主要方法包含有：

准备碳化钽、氮化钽、氧化钽和石墨的粉末；

任意取一种以上之粉末形成一混合粉体；

将该混合粉体在1200-2100℃高温、20MPa以上之高压以形成一均匀相、且具有98％理论密度以上的钽基化合物的陶瓷溅镀靶材。

附图说明

图1：(A)TaC/C靶材之扫瞄式电子显微镜(scanning electronmicroscope，SEM)之背向电子(back scattering electron，BSE)影像图；及(B)、(C)扫瞄式电子显微镜之电子探针显微分析(electro-probemicroanalysis，EPMA)之C和Ta的成分分析图。影像尺寸250μm×250μm。

图2：TaNO靶材破断面的扫瞄式电子显微镜(scanning electronmicroscope，SEM)影像。影像尺寸2mm×2mm。

图3：TaNO镀膜的穿透式电子显微镜(transmission electronmicroscope，TEM)影像。膜厚200nm。

具体实施方式

本发明之用于铜金属化处理阻碍层的钽基化合物的陶瓷溅镀靶材，其具有以下的组成：

Ta1C_xN_yO_z

0＜(x+y+z)＜2.5；

0＜x＜1.5；

0≤y＜1.7；

0≤z＜2.5；

由上述的式子可知，本发明的溅镀靶材可以为多样化之材质包含有Ta₁C_x、Ta₁N_y、Ta₁O_z、Ta₁C_xN_y、Ta₁C_xO_z、Ta₁N_yO_z、与Ta₁C_xN_yO_z，以依据不同的阻碍层需求调配成不同成分与不同比例的靶材，以达到溅镀阻碍层的成分需求。

其中，较佳地，该靶材中0＜z＜2.5，当组成中含有氧元素，而达到形成非晶相阻碍层的目的，并且不会明显降低铜层电与热的传导性；较佳地，该靶材中0＜x＜1.5，当在组成中添加碳元素，而达到阻碍层具有极佳的热稳定性的目的。

当前述钽基化合物陶瓷溅镀靶材用于铜金属化处理阻碍层应用方法，其包含有下列步骤：

(1)准备一基材与一前述组成之钽基化合物的陶瓷溅镀靶材，该基材可以为硅晶圆。

(2)将基材与前述之钽基化合物的陶瓷溅镀靶材置入一磁控溅镀***中进行溅镀操作，以于基材表面形成一钽基化合物的阻碍层。

由于本发明中之靶材将阻碍层所需要之成分的钽基化合物直接热压烧结成靶材，来进行溅镀作业，因此在操作时并不需要在另形添加合成成分的气体(如氮气、碳基反应气体等等)，而是直接将所有成分溅镀于基材上，不影响操作时的稳定性，让溅镀流程简单化、品质稳定化。

另外，关于本发明中钽基化合物陶瓷溅镀靶材的制备方法，其主要方法包含有下列之步骤：

(1)准备碳化钽、氮化钽、氧化钽和石墨的粉末；

(2)任意取一种以上之粉末，依照所需之成份比例秤量后混合，形成一混合粉体；

(3)将该混合粉体依照需要使用球磨机或混拌机等粉末之细化或混合设备，进行粉末烧结前置处理。

(4)将均匀混合之粉末配合耐高温材质制作之成形模具，并在1200-2100℃高温、20MPa以上之高压，并在真空或保护性气体气氛下(例如：氩气等惰性气体)，制作形成一均匀相、且具有可达98％理论密度以上的钽基化合物的陶瓷溅镀靶材。

前述的形成方法可以用热压成形(hot pressing)或是放电电浆烧结法(Spark Plasma Sintering)，在高于1500℃以上，较佳为1800℃以上的温度形成。若成分仅为Ta₂O₅其温度为1200℃以上即可。另外，本发明钽基化合物的陶瓷溅镀靶材也可以用热均压(Hot IsostaticPressing，HIP)方式形成。

以下为数个制作陶瓷溅镀靶材之较佳实施例：

实施例一：

将碳化钽(Ta₂C)与石墨粉末混合以形成一碳化钽(Ta₂C)占35mole％(莫耳百分比)与碳占65(mole％)的组成物，该组成物在2100℃温度与30MPa压力下进行热压，藉此，一个具有高密度、显微组织为碳化钽均匀分布于石墨基地(graphite matrix)中，且成份比例为Ta/C＝1/1.46的靶材即告完成，请参考图1(A)-(C)所示。同系列实验结果显示，Ta/C成份比率高于1/2.5以上范围，运用本例之技术即可获得高密度且无裂缝之靶材。

实施例二：

将氮化钽(TaN)与氧化钽(TaO)混合以形成一组成物(比例TaN/TaO＝80/20mole％)，该组成物在1800℃温度与30MPa压力下进行热压，藉此，一个均匀且高密度的Ta₁N_0.8O_0.2的靶材即告完成，请参考图2所示，该靶材的表面呈现无孔的状态，并在整个靶材上有均匀的颗粒结构。

以实施例二中的靶材进行非反应性溅镀，形成一200nm厚度的阻碍层，请参考图3所示，该阻碍层呈现一非晶相之结构，并藉其组成为Ta₁N_0.65O_0.1，其具有230μΩm的低电阻(现有的为TaN阻碍层为560μΩm)，结果显示若在溅镀时，直接由靶材导入氧成份，可以显著降低成品导电性能的退化。

由上述说明可知，本发明之用于铜金属化处理阻碍层之钽基化合物的陶瓷溅镀靶材及其应用方法及制作方法具有下列之优点：

1.本发明的钽基化合物陶瓷溅镀靶材，其具有高密度性，能成功地应用于非反应性的溅镀操作。

2.使用本发明钽基化合物陶瓷溅镀靶材取代传统的纯金属靶材，可以有效简化溅镀操作步骤，维持溅镀阻碍层的品质稳定。

3.本发明中的钽基化合物陶瓷溅镀靶材，在制作过程中可以随使用者所需阻碍层成分比例，适当调配粉末的比例，及可以简单完成达到调节的目的。

4.当溅镀的阻碍层中成分含有碳时，使用本发明钽基化合物陶瓷溅镀靶材可以直接以化合物的状态溅镀于基材上，避免碳基反应气体的使用，因此不会有反应气体被碳化成碳黑沉积，能减少制程设备污染。

Claims

1.一种用于铜金属化处理阻碍层之钽基化合物的陶瓷溅镀靶材，其特征是，具有以下的组成：

Ta₁C_xN_yO_z

0＜(x+y+z)＜2.5；

0＜x＜1.5；0≤y＜1.7；与

0≤z＜2.5

2.如权利要求1所述的钽基化合物的陶瓷溅镀靶材，其特征是，z的范围进一步缩小为0＜z＜2.5。

3.一种如权利要求1所述的钽基化合物陶瓷溅镀靶材之应用方法，其特征是，包含有下列步骤：

准备一基材与一前述组成之钽基化合物的陶瓷溅镀靶材；

将基材与钽基化合物的陶瓷溅镀靶材置入一磁控溅镀***中进行溅镀操作，以于基材表面形成一钽基化合物的阻碍层。

4.如权利要求3所述的方法，其特征是，该基材为硅晶圆。

5.一种制作如权利要求1所述的钽基化合物陶瓷溅镀靶材之制备方法，其特征是，该方法包含有下列步骤：

准备碳化钽、氮化钽、氧化钽和石墨的粉末；

任意取一种以上之粉末，依照成份比例秤量后形成一混合粉体；

使用粉末的细化设备球磨机，将上述混合粉体进行粉末压结前置处理，将均匀混合的粉末配合耐高温材质制作成形模具，并在1200-2100℃高温、20MPa以上的高压，真空或保护性气体氛围下，制作形成一匀相、且具有可达98％理论密度以上的钽基化合物的陶瓷溅镀靶材。

6.如权利要求5所述的方法，其特征是，靶材的形成方法选自：热压成形法、放电电浆烧结法和热均压法。

7.一种制作如权利要求1所述的钽基化合物陶瓷溅镀靶材之制

备方法，其方法包含有下列之步骤：

准备碳化钽、氮化钽、氧化钽和石墨的粉末；

使用粉末的混合设备拌和机，将上述混合粉体进行粉末压结前置处理，将均匀混合的粉末配合耐高温材质制作成形模具，并在1200-2100℃高温、20MPa以上之高压，并在真空或保护性气体氛围下，制作形成一匀相、且具有可达98％理论密度以上的钽基化合物之陶瓷溅镀靶材。

8.如权利要求7所述的方法，其中靶材的形成方法选自：热压成形法、放电电浆烧结法。