JP2000355761A - バリア材成膜用Ｔａ系ターゲットおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安定した薄膜の製造を行うことができるＴａ
系ターゲットおよびその製造方法を提案する。 【解決手段】 本発明は、４９原子％以下の（Ｃ、Ｂ、
Ｉｒ、Ｗ、Ｇｅ、ＣｅＯ ₂、ＲｕＯ₂）の１種または２種
以上の粉末と、５１原子％以上のＴａ粉末とが焼結して
なるバリア材成膜用Ｔａ系ターゲットである。本発明の
ターゲットは、たとえば、４９原子％以下の（Ｃ、Ｂ、
Ｉｒ、Ｗ、Ｇｅ、ＣｅＯ₂、ＲｕＯ₂）の１種または２種
以上の粉末と、５１原子％以上のＴａ粉末とを７００℃
以上、かつ５０ＭＰａ以上で加圧焼結を行うことにより
得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】半導体デバイスを製造する際
などに、絶縁基板と配線間の拡散を防止するための層を
形成する。この拡散防止層を、バリア材とよぶ。本発明
は、このバリア材をスパッタリングによって成膜して形
成する場合に必要となるＴａ系ターゲットとそのターゲ
ットの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】これまでに、特開平６−２６４２３２号
にあるように、バリア材の一つとして、純Ｔａのターゲ
ットが提案されている。このターゲットは、電子ビーム
溶解などを用いた鋳造材に、塑性加工を加えたものであ
った。このようにして作製したターゲットを用いて、窒
素とアルゴンの混合ガス雰囲気中でスパッタリングを行
い、ＴａＮのバリア層を形成する。また、最近Cu配線用
半導体用配線材に、ＴａＮやＴａよりも、ＴａＮやＴａ
に更に添加元素を複合してバリア性を高める技術が提案
されている。

【０００３】バリア性を高めるために，最近複合添加と
して種々の元素や化合物が検討され、バリア性向上の効
果があるとして着目されている元素として、Ｃ、Ｂ、Ｉ
ｒ、Ｗ、Ｇｅ、ＣｅＯ₂、ＲｕＯ₂がある。これらは、se
miconductor world 1998.2 p91−96、J.Appl.Phys.8
3(3) Feb.1998 p1333−1336、J.Vac.Sci.Technol.B16
(6) Nov/Dec.1998 p3059−3064等に記載されている。
これらの添加元素を含むＴａ系バリア材の成膜方法とし
ては、異なるターゲットを同時にスパッタリングするい
わゆるコスパッタ法が用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したＴａ系薄膜の
形成にコスパッタ法が適用される理由は、ＴａとＣ，
Ｂ，Ｉｒ，Ｇｅは、合金化すると化合物の生成などがあ
るので、塑性加工が困難となり、これによって偏析を低
減することができなくなる。また、ＴａにＷを添加して
も、化合物は生成しないが、非常に硬くなるために塑性
加工が困難となり、塑性加工によって偏析を低減するこ
とは困難である。さらに、酸化物は解離するために、溶
解で合金化することはできないという問題点があるため
である。詳しく説明すると、“溶解−鋳造”による製造
方法で合金化したターゲットを得ようとすると、Ｃ、
Ｂ、Ｉｒ、Ｗ、Ｇｅは、鋳造した際に、著しい偏析が生
ずる。そのため、同一の溶解で製造したターゲットであ
っても、ターゲット材中の組成バラツキが大きく、これ
に起因して安定した組成の薄膜を得ることができない。
また、鋼塊の上部から切り出したターゲットと、下部か
ら切り出したターゲットには、大きな組成差がある。こ
のために、量産規模で安定した膜組成をえるための合金
ターゲットを製造することが困難であった。

【０００５】塑性加工が困難になる理由を説明する。
Ｃ、Ｂ、Ｉｒ、Ｇｅなどの元素を添加すると、ＴａＣな
どのＴａ系金属間化合物が生じる。これらの金属間化合
物に延性がないために、金属間化合物相とＴａ相の界面
にき裂が生じるためと考えられる。また、ＷはＴａに固
溶され固溶強化がおこる。このために、塑性加工が困難
となり、塑性加工によって偏析を低減することは困難で
ある。一方、“溶解−鋳造”によって、ＣｅＯ₂やＲｕ
Ｏ₂を添加したターゲットを製造することは出来なかっ
た。この理由は、Ｔａが高融点金属であるために、Ｔａ
を溶解するためには、電子ビーム溶解やプラズマ溶解法
が必要となる。しかし、これらの溶解を行うと、溶解原
料に添加したＣｅＯ₂やＲｕＯ₂は、ほとんどが還元され
てしまうためである。よって、これまでに提案されてい
るＴａ薄膜は、合金化しないターゲットを組み合わせた
コスパッタ法が用いられていたのである。しかし、コス
パッタ法は、別々のターゲットを使用するため、均一な
組成の薄膜を量産で得ようとするとスパッタ装置制御が
難しいという問題がある。そこで、本発明は、安定した
薄膜の製造を行うことができるＴａ系ターゲットおよび
その製造方法を提案することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、化合物の発
生もしくは酸化物の存在によってコスパッタしなければ
成らなかったＴａ系薄膜の製造を改善するために、ター
ゲットの改良を行った。そして、化合物の偏析に起因す
る薄膜の組成バラツキを抑制できる粉末焼結法の適用に
よって、偏析を抑制したターゲットが得られ、新しいＴ
ａ系ターゲットを提供することが可能となったものであ
る。

【０００７】即ち本発明は、４９原子％以下の（Ｃ、
Ｂ、Ｉｒ、Ｗ、Ｇｅ、ＣｅＯ₂、ＲｕＯ₂）の１種または
２種以上の粉末と、５１原子％以上のＴａ粉末とが焼結
してなるバリア材成膜用Ｔａ系ターゲットである。

【０００８】本発明のターゲットは、たとえば、４９原
子％以下の（Ｃ、Ｂ、Ｉｒ、Ｗ、Ｇｅ、ＣｅＯ₂、Ｒｕ
Ｏ₂）の１種または２種以上の粉末と、５１原子％以上
のＴａ粉末とを７００℃以上、かつ５０ＭＰａ以上で加
圧焼結を行うことにより得ることができる。

【０００９】本発明において、（Ｃ、Ｂ、Ｉｒ、Ｗ、Ｇ
ｅ、ＣｅＯ₂、ＲｕＯ₂）は、バリア性を改善する元素と
いう共通の効果を有する。これらの添加元素（化合物）
の好ましい範囲は、５〜４０原子％である。また、好ま
しい加圧焼結法としては、熱間静水圧プレスである。ま
た、好ましい加圧焼結の温度は、添加元素Ｃ、Ｉｒ、
Ｂ、Ｗ、ＣｅＯ₂とＲｕＯ₂での１種または２種以上を含
有する場合は、１０００〜１６００℃である。また、Ｇ
ｅを含有する場合は、蒸気圧の関係から７００〜９００
℃とする必要がある。

【００１０】

【発明の実施の形態】化学組成を、Ｔａ系合金におい
て、Ｃ、Ｂ、Ｉｒ、Ｗ、Ｇｅ、ＣｅＯ₂、ＲｕＯ₂の１種
または２種とした。上述したように、これらの添加元素
（添加化合物）は、バリア性を高める添加元素として共
通の効果を有するものである。さらに、個々の作用とし
ては、３種に分類できる作用を有する。１つ目の分類
は、Ｂ、Ｇｅを添加したＴａ系ターゲットである。これ
らは、窒素とアルゴンの混合ガス雰囲気中でスパッタを
行い、薄膜を形成する。これで得られるＴａＢＮやＴａ
ＧｅＮの薄膜は、アモルファスかアモルファスに近い微
細粒となる。このようになると、高速拡散通路としての
粒界をなくして、バリア性の向上がはかれると考えられ
る。

【００１１】２つ目の分類は、Ｃ、Ｉｒ、Ｗを添加した
Ｔａ系ターゲットである。これらは、アルゴン雰囲気中
でスパッタされ、ＴａＣやＩｒＴａやＴａＷといった薄
膜が得られる。これらの薄膜も、アモルファスかアモル
ファスに近い微細粒となる。このようになると、Ｃｕな
どの拡散経路が長くなり、バリア性の向上がはかれると
考えられる。

【００１２】３つ目の分類は、ＣｅＯ₂とＲｕＯ₂を添加
したＴａ系ターゲットである。このターゲットをアルゴ
ン雰囲気中などでスパッタを行い、薄膜を形成する。こ
の薄膜は、ＣｅＯ₂やＲｕＯ₂化合物が、Ｔａの結晶粒界
に存在するようになる。このようになると、Ｃｕの粒界
拡散を、ＣｅＯ₂やＲｕＯ₂化合物が抑制する効果があ
り、バリア性が向上すると考えられている。さらに、
Ｃ、Ｂ、Ｉｒ、Ｇｅ、ＣｅＯ₂、ＲｕＯ₂を複合添加する
ことによっても、バリア性を高められるので、２種以上
とした。

【００１３】添加元素や添加化合物の組成範囲は、４９
原子％以下とした。４９％を超えると、Ｔａ自体が持つ
バリア性が維持できなくなるためである。５〜４０原子
％の添加で、最もバリア性が向上する。本発明において
は、Ｔａと添加元素群である（Ｃ、Ｂ、Ｉｒ、Ｗ、Ｇ
ｅ、ＣｅＯ₂、ＲｕＯ₂）の各粉末を用いて、加圧焼結す
る。なお、添加元素群同士は、可能な場合は、単体粉末
はもちろん、添加元素同士の合金であっても良いし、２
種以上の粉末を混合しても良い。

【００１４】粉末の製造方法としては、電子ビーム溶解
した鋳塊を機械粉砕する方法や水素雰囲気で熱処理後粉
砕方法、アークメルト法、ガスアトマイズ法などが適用
できる。加圧焼結の条件としては、熱間静水圧プレスを
適用し、７００℃以上、かつ５×１０^７Ｐａ以上が好ま
しい。これは、微細な加工が要求される薄膜を形成する
ために使用されるターゲットは、パーティクルと呼ばれ
る異物の発生が少ないことが、非常に強く求められる。
これまで、本発明者が半導体用ターゲットとパーティク
ルの相関について検討した結果、空孔などの欠陥や粗大
な組織を有するターゲットは、パーティクルが多発する
との結論を得ている。この理由は、ターゲット内の空孔
部分には、酸化物などの異物が集積しやすいために、こ
の粗大になった異物がスパッタされた際に、パーティク
ルが発生する。また、組織が粗大化すると、不純物の析
出物なども粗大になるためと推察される。

【００１５】あるいは、空孔部分が、ターゲット表面に
現われた際の表面凹凸に、異常な放電が起こり、空孔付
近から粗大な粒子が発生するからである。そこで、本発
明品であるＴａ系ターゲットについて、パーティクルの
発生がない程度に、空孔がなくなり、組織が微細になる
条件を検討した。その結果、７００℃以上、かつ５×１
０^７Ｐａ以上で加圧焼結を行うことを特徴とする方法に
よって、製造が可能であることを見出した。また、好ま
しい加圧焼結の温度を、添加元素Ｃ、Ｉｒ、Ｂ、ＣｅＯ
₂とＲｕＯ₂での１種または２種以上を含有する場合は、
１０００〜１６００℃であるとした理由について説明す
る。これらの元素、化合物またＴａは、融点が高いの
で、１０００℃以上で加圧焼結を行った方が、さらにパ
ーティクルの発生の少ないターゲットが得られる。一
方、上限を１６００℃としたのは、これ以上の温度であ
ると、加圧焼結の加熱装置の損傷が大きくなり、生産性
が低下するからである。さらに、好ましい加圧焼結方法
を熱間静水圧プレスとしたのは、ホットプレスなどと比
較して、高圧力が与えられるので低温の加熱によって高
密度のターゲットが得られるので、微細な組織も得られ
やすいからである。

【００１６】一方、Ｇｅを含有する場合は、７００〜９
００℃とした理由について説明する。Ｇｅの融点は９４
０℃付近と低い。このために、９００℃を超えると、溶
解して、均一にＧｅが分布したターゲットが得られなく
なる場合がある。よって、好ましい温度範囲を、７００
〜９００℃とした。

【００１７】

【実施例】電子ビーム溶解法を用いた“溶解−鋳造”
と、市販されている各元素の粉末を２００ｍｅｓｈ以下
に分級して熱間静水圧プレスで焼結して、ターゲットを
製造した。これらのターゲットの偏析を、表１に示す。
この表での偏析は、２０枚のターゲットを製造して、品
位を決定した。組成は、２０枚のターゲットの化学分析
の平均値である。２０枚のターゲットについて、Ｘ線光
電子分光法（ＥＳＣＡ）にて、各ターゲットについて無
作為に１０個所、合計で２００個所分析した。各元素や
化合物について、この分析値の最大値−最小値の差を求
め、この差を化学分析の平均値で割り、偏析品位の評価
とした。この偏析品位の値で最も大きかった元素につい
て、２０％以上のものを悪いと評価して×と記載し、２
０％未満を良いと評価して○と記載した。また、この表
には熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）の条件も記載してい
る。表１からわかるように、熱間静水圧プレスで製造し
たターゲットの偏析品位は、全てが優れていた。一方、
“溶解−鋳造”で製造したターゲットは、偏析品位が悪
い。または、ＣｅＯ_２やＲｕＯ_２を含有させたターゲッ
トは、鋳造法では製造できなかった。このことから、Ｔ
ａに元素や化合物を添加したターゲットとしては、熱間
静水圧プレスを用いて製造することが良いことがわか
る。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【発明の効果】本発明のターゲットは、Ｃｕ配線を用い
た高性能な半導体を、生産性良く製造するために必要と
なる。このために、半導体の生産上、非常に有益であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村田 英夫 島根県安来市安来町2107番地２ 日立金属 株式会社冶金研究所内 Ｆターム(参考） 4K029 BA21 BD00 CA05 DC04 DC08 DC09 4M104 BB17 BB38 BB39 DD40

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ４９原子％以下の（Ｃ、Ｂ、Ｉｒ、Ｗ、
   Ｇｅ、ＣｅＯ₂、ＲｕＯ₂）の１種または２種以上の粉末
   と、５１原子％以上のＴａ粉末とが焼結してなることを
   特徴とするバリア材成膜用Ｔａ系ターゲット。
2. 【請求項２】 ４９原子％以下の（Ｃ、Ｂ、Ｉｒ、Ｗ、
   Ｇｅ、ＣｅＯ₂、ＲｕＯ₂）の１種または２種以上の粉末
   と、５１原子％以上のＴａ粉末とを７００℃以上、かつ
   ５０ＭＰａ以上で加圧焼結を行うことを特徴とするバリ
   ア材成膜用Ｔａ系ターゲットの製造方法。