JP4481975B2 - Manufacturing method of sputtering target - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子等に用いられるＣｕ配線のバリア層の形成に好適なスパッタリングターゲットの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a sputtering target suitable for forming a barrier layer of a Cu wiring used for a semiconductor element or the like.

近年、ＬＳＩに代表される半導体工業は急速に進捗しつつある。256Mビット以上のＤＲＡＭ、高速ロジック、システムＬＳＩ等の半導体デバイスにおいては、高集積化、高信頼性化、高機能化が進むにつれて、微細加工技術に要求される精度も益々高まってきている。このような集積回路の高密度化や高速化等に伴って、ＡｌやＣｕを主成分として形成される金属配線の幅は0.13μm以下になりつつある。   In recent years, the semiconductor industry represented by LSI has been progressing rapidly. In semiconductor devices such as DRAMs of 256 Mbit or more, high-speed logic, and system LSIs, the precision required for microfabrication technology is increasing more and more as high integration, high reliability, and high functionality progress. With the increase in the density and speed of such integrated circuits, the width of metal wiring formed mainly of Al or Cu is becoming 0.13 μm or less.

集積回路を高速で動作させるためには、Ａｌ配線やＣｕ配線の抵抗を低減することが必須となる。従来の配線構造では、配線の厚さを厚くすることで配線抵抗を低減することが一般的であった。しかし、さらなる高集積化・高密度化された半導体デバイスでは、これまでの積層構造を用いた際に配線上に形成される絶縁膜のカバレッジ性が悪くなり、当然デバイスの歩留りも低下するため、配線技術そのものを改良することが求められている。   In order to operate an integrated circuit at high speed, it is essential to reduce the resistance of Al wiring and Cu wiring. In the conventional wiring structure, it is common to reduce the wiring resistance by increasing the thickness of the wiring. However, in semiconductor devices that are further highly integrated and densified, the coverage of the insulating film formed on the wiring when using the conventional laminated structure deteriorates, and naturally the yield of the device also decreases. There is a need to improve the wiring technology itself.

そこで、従来の配線技術とは異なる、デュアルダマシン（ＤＤ）配線技術が適用されるようになってきている。ＤＤ技術とは、予め下地膜に形成した配線溝上に、配線材となるＡｌやＣｕを主成分とする金属をスパッタリング法やＣＶＤ法等を用いて成膜し、熱処理（リフロー）によって溝へ流し込み、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法等により余剰の配線金属を除去する技術である。   Therefore, dual damascene (DD) wiring technology, which is different from the conventional wiring technology, has been applied. In the DD technology, a metal mainly composed of Al or Cu as a wiring material is formed on a wiring groove formed in advance in a base film using a sputtering method, a CVD method, or the like, and poured into the groove by heat treatment (reflow). In this technique, excess wiring metal is removed by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method or the like.

上述したような半導体デバイスに用いられる配線材料としては、抵抗率がＡｌより低いＣｕが主流になりつつある。Ｃｕ配線はＡｌ配線に比べて耐エレクトロマイグレーション性に優れていることから、これからの高速デバイスではＣｕ配線が必須となる。このようなＣｕ配線を適用する場合には、ＣｕのＳｉ中への拡散防止を目的としたバリアメタル層を設ける必要がある。半導体デバイス用のバリアメタルとしては一般的にＴｉＮが使用されてきたが、Ｃｕ配線用のバリア材料として、Ｔａターゲットを用いてＡｒとＮ₂の混合ガス中で反応性スパッタすることにより得られるＴａＮ膜が注目されている。ＴａＮ膜は熱的に安定であり、ＣｕのＳｉ中への拡散防止に対して有効なバリア材である。 As a wiring material used in the semiconductor device as described above, Cu having a resistivity lower than that of Al is becoming mainstream. Since Cu wiring is superior in electromigration resistance compared to Al wiring, Cu wiring is essential for future high-speed devices. When such Cu wiring is applied, it is necessary to provide a barrier metal layer for the purpose of preventing diffusion of Cu into Si. Although TiN has generally been used as a barrier metal for semiconductor devices, TaN obtained by reactive sputtering in a mixed gas of Ar and N ₂ using a Ta target as a barrier material for Cu wiring. Membranes are drawing attention. The TaN film is thermally stable and is an effective barrier material for preventing diffusion of Cu into Si.

一方、配線溝やホール等の形状は、配線密度の向上や設計ルールの微細化に伴って、例えばアスペクト比が4を超えるようになってきている。このような配線溝等を有する半導体デバイスに対応するためには、バリアメタル層としてのＴａＮ膜を反応性スパッタで形成する際の精度を高める必要がある。このようなことから、コリメーションスパッタ法、長距離スパッタ法、低圧スパッタ法、さらに最近ではバイアススパッタ法等も取り入れて、ＴａＮ膜の形成精度の向上が図られている。   On the other hand, the shape of wiring grooves, holes, and the like has an aspect ratio of more than 4, for example, as the wiring density increases and the design rules become finer. In order to cope with a semiconductor device having such a wiring groove or the like, it is necessary to improve the accuracy when forming a TaN film as a barrier metal layer by reactive sputtering. For this reason, collimation sputtering, long-distance sputtering, low-pressure sputtering, and recently, bias sputtering, etc. have been incorporated to improve the TaN film formation accuracy.

しかしながら、従来のＴａターゲットを用いた反応性スパッタでは、8インチサイズのＳｉウェーハで既にＴａＮ膜の膜厚の面内均一性を5％以下に制御することが難しいという問題が生じている。Ｓｉウェーハは大型化する方向に進んでおり、今後12インチサイズのＳｉウェーハが一般化してくると、ＴａＮ膜の膜厚の面内均一性はさらに低下するおそれが強い。このようなことから、Ｔａターゲットにはより一層膜厚の面内均一性を向上させることが求められている。   However, in the reactive sputtering using the conventional Ta target, there is a problem that it is difficult to control the in-plane uniformity of the TaN film thickness to 5% or less with an 8-inch Si wafer. Si wafers are becoming larger, and if 12-inch Si wafers become more common in the future, the in-plane uniformity of the TaN film thickness is likely to be further reduced. For this reason, the Ta target is required to further improve the in-plane uniformity of the film thickness.

従来、ＴａＮ膜の膜厚の面内均一性に関しては、例えば窒素を含有する高純度Ｔａからなるスパッタリングターゲット（特許文献１参照）、高純度ＴａＮからなるターゲットの結晶方位やそのばらつきを制御したスパッタリングターゲット（特許文献２，３参照）等が提案されているが、これらのターゲットでは必ずしも十分な結果は得られていない。上述したように、8インチサイズのＳｉウェーハでもＴａＮ膜の膜厚の面内均一性を十分に高めることができない場合が生じている。
特開2000-323432号公報 特開2000-323433号公報 特開2000-323434号公報 Conventionally, regarding the in-plane uniformity of the TaN film thickness, for example, sputtering target made of high-purity Ta containing nitrogen (see Patent Document 1), sputtering in which the crystal orientation of the target made of high-purity TaN and variations thereof are controlled. Targets (see Patent Documents 2 and 3) have been proposed, but sufficient results are not always obtained with these targets. As described above, in some cases, the in-plane uniformity of the TaN film thickness cannot be sufficiently increased even with an 8-inch Si wafer.
JP 2000-323432 A JP 2000-323433 A JP 2000-323434 A

本発明の目的は、バリア層としてのＴａＮ膜等を反応性スパッタ法で形成する際に、その膜厚の面内均一性をより一層高めることを可能にしたスパッタリングターゲットの製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a sputtering target that can further improve the in-plane uniformity of the film thickness when a TaN film or the like as a barrier layer is formed by reactive sputtering. It is in.

本発明のスパッタターゲットの製造方法は、高純度Ｔａからなるスパッタリングターゲットの製造方法であって、高純度Ｔａインゴットを作製する工程と、前記高純度Ｔａインゴットに対して2軸以上の方向から鍛造を行う工程と、前記鍛造工程の途中で1000〜1600℃の温度で5時間以上の条件での真空熱処理を2回以上行う工程と、前記鍛造工程および真空熱処理工程を経たＴａ材に冷間圧延を施す工程と、前記冷間圧延工程を経たＴａ材に0.1P以下の真空雰囲気中1000〜1500℃の温度で5〜10時間の条件で再結晶化熱処理を施す工程とを具備することを特徴としている。 The sputtering target manufacturing method of the present invention is a manufacturing method of a sputtering target made of high-purity Ta, a step of manufacturing a high-purity Ta ingot, and forging from two or more directions to the high-purity Ta ingot. Cold rolling the Ta material that has undergone the forging step and the vacuum heat treatment step, the step of performing the vacuum heat treatment at a temperature of 1000 to 1600 ° C. for 5 hours or more in the middle of the forging step, and the forging step and the vacuum heat treatment step. And a step of subjecting the Ta material that has undergone the cold rolling step to a recrystallization heat treatment at a temperature of 1000 to 1500 ° C. in a vacuum atmosphere of 0.1 P or less for 5 to 10 hours. Yes.

本発明の製造方法によれば、ターゲット各部のスパッタ条件を均等化することを可能にしたスパッタリングターゲットが得られるため、膜厚の面内均一性に優れるスパッタ膜（ＴａＮ膜等）を再現性よく得ることが可能となる。従って、このようなＴａスパッタリングターゲットを用いることによって、例えばＣｕ配線膜のバリア層として有効なＴａＮ膜等を安定して歩留りよく形成することができる。   According to the manufacturing method of the present invention, since a sputtering target that makes it possible to equalize the sputtering conditions of each part of the target is obtained, a sputtered film (TaN film or the like) having excellent in-plane film thickness uniformity can be obtained with high reproducibility. Can be obtained. Therefore, by using such a Ta sputtering target, for example, a TaN film effective as a barrier layer of a Cu wiring film can be stably formed with a high yield.

以下、本発明を実施するための形態について説明する。本発明の製造方法により得られるスパッタリングターゲットは、高純度Ｔａ材からなるターゲットであり、例えば半導体デバイスのバリア層、特にＣｕまたはＣｕ合金からなる配線膜に対するバリア層として有用なＴａＮ膜の形成用として好適に使用されるものである。ここで、スパッタリングターゲットを構成するＴａ材には、半導体デバイスのバリア層等の使用用途を考慮して、例えば純度が99.99％以上の高純度Ｔａ材を使用することが好ましい。   Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described. The sputtering target obtained by the production method of the present invention is a target made of a high-purity Ta material, for example, for forming a TaN film useful as a barrier layer for a semiconductor device, particularly a wiring layer made of Cu or a Cu alloy. It is preferably used. Here, it is preferable to use, for example, a high-purity Ta material having a purity of 99.99% or more for the Ta material constituting the sputtering target in consideration of the intended use of a barrier layer of a semiconductor device.

ここで言うＴａの純度とは、不純物元素としてのＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ａｌ、ＮａおよびＫの合計含有量を100％から引いた値、すなわち［100％−（Ｆｅ％＋Ｎｉ％＋Ｃｒ％＋Ｗ％＋Ｍｏ％＋Ｎｂ％＋Ｓｉ％＋Ａｌ％＋Ｎａ％＋Ｋ％）］の値を示すものである。上記不純物元素の合計含有量が100ppmを超えると、得られる膜の比抵抗が高くなりすぎて、例えば配線膜としての特性が低下してしまう。スパッタリングターゲットを構成する高純度Ｔａ材の純度は99.995％以上であることがより好ましい。   The purity of Ta mentioned here is a value obtained by subtracting the total content of Fe, Ni, Cr, W, Mo, Nb, Si, Al, Na and K as impurity elements from 100%, that is, [100% − ( Fe% + Ni% + Cr% + W% + Mo% + Nb% + Si% + Al% + Na% + K%)]. When the total content of the impurity elements exceeds 100 ppm, the specific resistance of the obtained film becomes too high, and the characteristics as a wiring film, for example, deteriorate. The purity of the high-purity Ta material constituting the sputtering target is more preferably 99.995% or more.

上述したような高純度Ｔａ材からなるスパッタリングターゲット（Ｔａターゲット）において、ターゲットのスパッタ面全体におけるビッカース硬さのばらつきを20％以下に制御する。このようなＴａターゲットの硬度のばらつき制御に基づいて、Ｔａターゲットを用いて反応性スパッタしたＴａＮ膜の膜厚の面内均一性を高めることが可能となる。   In the sputtering target (Ta target) made of the high-purity Ta material as described above, the variation in Vickers hardness over the entire sputtering surface of the target is controlled to 20% or less. Based on such hardness variation control of the Ta target, it is possible to improve the in-plane uniformity of the thickness of the TaN film reactively sputtered using the Ta target.

すなわち、Ｔａターゲットを用いた反応性スパッタは、例えばＡｒとＮ₂の混合ガス雰囲気中で行われ、Ａｒ等の希ガスイオンをＴａターゲットに衝突させ、ターゲットの構成原子であるＴａやそのクラスタを弾き出すと共に、プラズマ中で窒化させることによりＴａＮ膜を成膜するものである。この際、Ｔａターゲット表面のビッカース硬さにばらつきが生じていると、硬い部位と軟らかい部位との間でＡｒイオン等の打ち込み量に差が生じ、その結果としてＴａターゲットの部位によりスパッタされるＴａ原子やそのクラスタの量にばらつきが発生する。このようなスパッタ量の違いに基づいて、成膜されるＴａＮ膜の膜厚の面内均一性が低下することになる。 That is, reactive sputtering using a Ta target is performed in, for example, a mixed gas atmosphere of Ar and N ₂ , and a rare gas ion such as Ar is collided with the Ta target, and Ta and its cluster that are constituent atoms of the target are used. A TaN film is formed by pulverizing and nitriding in plasma. At this time, if the Vickers hardness of the Ta target surface varies, there is a difference in the amount of implantation of Ar ions or the like between the hard part and the soft part, and as a result, Ta sputtered by the Ta target part. Variations occur in the amount of atoms and their clusters. Based on such a difference in the amount of sputtering, in-plane uniformity of the film thickness of the TaN film to be formed is lowered.

このような現象を見出したことに基づいて、高純度Ｔａターゲットのスパッタ面全体としてのビッカース硬さのばらつきを20％以下に制御する。Ｔａターゲット全体の硬度を均一化することによって、スパッタされるＴａ原子量のばらつきを抑制することができるため、成膜されるＴａＮ膜の膜厚の面内均一性を大幅に高めることが可能となる。Ｔａターゲットの表面全体におけるビッカース硬さのばらつきは、Ｔａターゲットの各部位でのスパッタ現象をさらに均一化するために15％以下とすることがより好ましく、さらに好ましくは10％以下である。   Based on finding such a phenomenon, the variation in the Vickers hardness of the entire sputtering surface of the high purity Ta target is controlled to 20% or less. By making the hardness of the entire Ta target uniform, it is possible to suppress variations in the amount of Ta atoms sputtered, and thus it is possible to significantly increase the in-plane uniformity of the thickness of the TaN film to be formed. . The variation in Vickers hardness over the entire surface of the Ta target is more preferably 15% or less, and even more preferably 10% or less, in order to further uniformize the sputtering phenomenon at each portion of the Ta target.

高純度Ｔａターゲットの硬度は、結晶粒径等により異なるものの、ビッカース硬さのばらつき発生を抑制した上で、例えば良好なスパッタレートや健全なスパッタ放電等が得られる範囲、すなわちビッカース硬さでHv70〜150の範囲とすることが好ましい。Ｔａターゲットの硬度がビッカース硬さでHv150を超えると、Ａｒイオンの衝撃に対してＴａターゲット自体の硬度が高すぎるために、Ａｒイオンが衝突してもＴａターゲットの構成原子やクラスタ等を弾き出す効率が低下してしまう。その結果、スパッタレートが低下するだけでなく、Ｔａターゲットの表面に運動エネルギーを交換することができなかったＡｒ⁺イオンが帯電し、この帯電が異常放電を引き起こすおそれがある。異常放電は放電停止等の装置トラブルの原因となる。 The hardness of the high-purity Ta target varies depending on the crystal grain size and the like, but after suppressing the occurrence of variations in Vickers hardness, for example, a range in which a good sputter rate, sound spatter discharge, etc. can be obtained, that is, Hv70 in the Vickers hardness It is preferable to be in the range of ~ 150. When the hardness of the Ta target exceeds Vvs hardness of Hv150, the Ta target itself is too hard against the impact of Ar ions, so even if Ar ions collide, the efficiency of ejecting constituent atoms, clusters, etc. of the Ta target Will fall. As a result, not only the sputtering rate is lowered, but also the Ar ⁺ ions whose kinetic energy could not be exchanged are charged on the surface of the Ta target, which may cause abnormal discharge. Abnormal discharge may cause device troubles such as discharge stop.

一方、Ｔａターゲットの硬度がビッカース硬さでHv70未満であると、ＡｒイオンがＴａターゲットに衝突した際に表面に打ち込まれてしまい、その部分がＡｒ⁺イオンによりプラスに帯電してしまう。その結果として、スパッタ成膜過程で異常放電を引き起こすことになる。ここで、Ａｒイオンによる衝撃の度合いやスパッタレート等は各種物質により異なる。上記した硬度はＴａターゲットの場合のスパッタレートや異常放電との関係に基づいて規定したものである。 On the other hand, if the hardness of the Ta target is less than Hv70 in terms of Vickers hardness, Ar ions are implanted into the surface when colliding with the Ta target, and the portion is positively charged by Ar ⁺ ions. As a result, abnormal discharge is caused in the sputter deposition process. Here, the degree of impact by Ar ions, the sputtering rate, and the like vary depending on various substances. The above hardness is defined based on the relationship with the sputtering rate and abnormal discharge in the case of a Ta target.

上述したように、Ｔａターゲットの硬度が高すぎても、また低すぎても帯電現象が起こり、これらによって異常放電並びにそれに伴う放電停止等を引き起こすおそれがある。このようなことから、Ｔａターゲットのビッカース硬さはHv70〜150の範囲に制御することが好ましい。このような硬度を有するＴａターゲットはスパッタレートに優れると共に、異常放電を再現性よく防ぐことができる。Ｔａターゲットの硬度はビッカース硬さでHv80〜130の範囲とすることがさらに好ましい。   As described above, even if the hardness of the Ta target is too high or too low, a charging phenomenon occurs, which may cause abnormal discharge and accompanying discharge stoppage. For this reason, it is preferable to control the Vickers hardness of the Ta target within a range of Hv 70 to 150. A Ta target having such hardness is excellent in sputter rate and can prevent abnormal discharge with good reproducibility. The hardness of the Ta target is more preferably in the range of Hv 80 to 130 in terms of Vickers hardness.

なお、本発明で規定するＴａターゲットのビッカース硬さは、以下のようにして測定した値を示すものとする。すなわち、例えばターゲットが円盤状の場合、ターゲットの中心部と、中心部を通り円周を均等に分割した4本の直線上の中心部から50％の距離の各位置（計8個所）、および中心部から90％の距離の各位置（計8個所）の合計17個所からそれぞれ試験片を採取し、これら17個の試験片のビッカース硬さをそれぞれ測定し、これらの測定値の平均値をＴａターゲットのビッカース硬さとする。さらに、Ｔａターゲット全体としてのビッカース硬さのばらつきは、上記した各試験片のビッカース硬さ（各測定値）の最大値と最小値から、｛（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）｝×100（％）に基づいて求めるものとする。   In addition, the Vickers hardness of the Ta target prescribed | regulated by this invention shall show the value measured as follows. That is, for example, if the target is a disk shape, each position at a distance of 50% from the central part of the target and four straight lines that divide the circumference evenly through the central part (total of 8 places), and Test specimens were collected from a total of 17 locations at a distance of 90% from the center (total of 8 locations), the Vickers hardness of each of these 17 test samples was measured, and the average value of these measurements was calculated. The Vickers hardness of the Ta target. Furthermore, the variation in the Vickers hardness as a whole Ta target is determined from {(maximum value−minimum value) / (maximum value + minimum value)} from the maximum value and minimum value of the Vickers hardness (each measured value) of each test piece. Value)} × 100 (%).

各試験片のビッカース硬さの測定は、まずＴａターゲットから切り出した各試験片の表面を＃1000まで研磨し、さらにバフ研磨を行って表面を鏡面状態とし、これをビッカース硬さの測定サンプルとして使用する。この測定サンプルのビッカース硬さを、ビッカース硬さ試験機を用いて、荷重200g、荷重付加時間10秒の条件で測定する。各測定サンプルのビッカース硬さ測定はそれぞれ10回以上行い、その平均値を各試験片のビッカース硬さとする。   The Vickers hardness of each test piece is measured by first polishing the surface of each test piece cut out from the Ta target to # 1000, further buffing the surface to make it a mirror surface, and using this as a sample for measuring Vickers hardness use. The Vickers hardness of this measurement sample is measured using a Vickers hardness tester under the conditions of a load of 200 g and a load application time of 10 seconds. Vickers hardness of each measurement sample is measured 10 times or more, and the average value is taken as the Vickers hardness of each test piece.

本発明のスパッタリングターゲットの製造方法は、特定の加工条件や熱処理条件等を満足させる以外は特に限定されるものではなく、公知の方法を適用して作製することができる。ただし、スパッタリングターゲットの硬さは、基本的には構成材料の特有の硬度に基づくものであるが、例えばインゴットからターゲットまで加工する際の加工条件（例えば加工率）、さらに加工途中や最終的に施す熱処理条件も大きく影響する。ターゲット全体としての硬さのばらつきも同様である。従って、Ｔａターゲットのビッカース硬さを所定の範囲に制御すると共に、ターゲット全体のばらつきを低減するためには、以下に示す加工条件や熱処理条件を適用することが重要となる。   The manufacturing method of the sputtering target of this invention is not specifically limited except satisfying specific process conditions, heat processing conditions, etc., It can produce by applying a well-known method. However, although the hardness of the sputtering target is basically based on the specific hardness of the constituent material, for example, the processing conditions (for example, processing rate) when processing from the ingot to the target, further in the middle of processing or finally The heat treatment conditions to be applied greatly influence. The same applies to the hardness variation of the entire target. Therefore, in order to control the Vickers hardness of the Ta target within a predetermined range and reduce the variation of the entire target, it is important to apply the following processing conditions and heat treatment conditions.

まず、Ｔａターゲットの形成原料となる高純度Ｔａ材を作製する。例えば、Ｔａ₂Ｏ₅鉱石に対してアルカリ融解法、分別結晶法、電子ビーム溶解法等を適用してＴａインゴットを作製する。この際、Ｔａインゴットの純度が上記した範囲となるように、Ｔａ原料の精製条件を設定することが好ましい。このようにして得たＴａインゴットに対して鍛造、圧延による塑性加工を施す。 First, a high-purity Ta material that is a raw material for forming a Ta target is prepared. For example, a Ta ingot is produced by applying an alkali melting method, a fractional crystallization method, an electron beam melting method or the like to Ta ₂ O ₅ ore. At this time, it is preferable to set the purification conditions for the Ta raw material so that the purity of the Ta ingot falls within the above-described range. The Ta ingot thus obtained is subjected to plastic working by forging and rolling.

この際、鍛造工程は2軸以上の方向から行うものとする。具体的には、まずＴａインゴットを径方向に塑性加工させる締め鍛造を実施し、この後厚さ方向に塑性加工させるすえ込み鍛造を施す。このように、Ｔａインゴットを2軸以上の方向から鍛造することによって、Ｔａターゲットを作製した際の硬さのばらつきを低減することができる。   At this time, the forging process is performed from two or more axes. Specifically, first, forging is performed in which a Ta ingot is plastically processed in the radial direction, and then upsetting forging is performed in the thickness direction. Thus, by forging the Ta ingot from two or more directions, it is possible to reduce the variation in hardness when the Ta target is manufactured.

すなわち、原料となるＴａインゴットには粗大粒が存在しているが、1軸方向のみの塑性加工では粗大粒を十分に破壊することができず、ターゲットを作製した際に粗大粒が部分的にターゲット表面に存在することになる。粗大粒が存在している部位と存在していない部位とでは硬さが異なることから、ターゲット表面の硬さにばらつきが生じてしまう。これに対して、Ｔａインゴットを2軸以上の方向から鍛造することで粗大粒をより確実に破壊することができるため、Ｔａターゲットの硬さの均一性を高めることが可能となる。   That is, although coarse grains exist in the raw Ta ingot, the coarse grains cannot be sufficiently destroyed by plastic processing only in the uniaxial direction, and the coarse grains are partially formed when the target is manufactured. It will be present on the target surface. Since the hardness is different between the portion where the coarse particles are present and the portion where the coarse particles are not present, the hardness of the target surface varies. On the other hand, since the coarse grains can be broken more reliably by forging the Ta ingot from two or more directions, the uniformity of the hardness of the Ta target can be improved.

上記した鍛造工程における加工率は、トータルで10〜98％の範囲とすることが好ましい。加工率が10％未満であると、硬さのばらつきの一因となる粗大粒を十分に破壊することができないおそれがある。なお、加工率が98％を超える鍛造加工を施しても、それ以上の効果を得ることができない。   The processing rate in the forging process described above is preferably in the range of 10 to 98% in total. When the processing rate is less than 10%, there is a possibility that coarse grains that contribute to hardness variation cannot be sufficiently broken. Even if the forging process is performed with a processing rate exceeding 98%, no further effect can be obtained.

また、上述した鍛造工程の途中で2回以上の真空熱処理を施す。この真空熱処理は、0.1Pa以下の真空雰囲気中にて1000〜1600℃の温度で5時間以上行うことが好ましい。また、熱処理時の昇温速度は10℃/min以上とすることが好ましい。このような熱処理によって、Ｔａインゴットの母結晶は完全に除去され、さらに鍛造により与えられた歪を回復させることができる。加工歪は硬さの増加やばらつきの原因となる。塑性加工中の熱処理温度が1000℃未満であったり、また熱処理時間が5時間未満であると、歪を十分に回復できないために硬さのばらつきが大きくなる。   Further, vacuum heat treatment is performed twice or more during the forging process described above. This vacuum heat treatment is preferably performed for 5 hours or more at a temperature of 1000 to 1600 ° C. in a vacuum atmosphere of 0.1 Pa or less. In addition, the rate of temperature increase during the heat treatment is preferably 10 ° C./min or more. By such heat treatment, the mother crystal of the Ta ingot is completely removed, and the strain applied by forging can be recovered. Processing strain causes an increase in hardness and variation. If the heat treatment temperature during plastic working is less than 1000 ° C. or if the heat treatment time is less than 5 hours, the strain cannot be sufficiently recovered, and thus the variation in hardness becomes large.

次に、上記工程を経たＴａ材に冷間圧延を施す。冷間圧延時の加工率によっては、ターゲット素材（Ｔａ素材）に与えられる歪が部位毎に不均一となり、これによっても硬さにばらつきが生じるおそれがある。従って、冷間圧延時の加工率（圧延率）を制御することで、ターゲット素材（Ｔａ素材）の各部位に所定の歪を均一に与えることが重要であり、これによりＴａターゲットの硬度のばらつきを抑制することが可能となる。具体的には、冷間圧延時の加工率は10〜98％の範囲とすることが好ましい。   Next, cold rolling is performed on the Ta material that has undergone the above steps. Depending on the processing rate at the time of cold rolling, the strain applied to the target material (Ta material) becomes non-uniform for each part, which may cause variations in hardness. Therefore, it is important to uniformly apply a predetermined strain to each part of the target material (Ta material) by controlling the processing rate (rolling rate) at the time of cold rolling. Can be suppressed. Specifically, the processing rate during cold rolling is preferably in the range of 10 to 98%.

この後、冷間圧延材に対して0.1Pa以下の真空雰囲気中にて1000〜1500℃の温度で5〜10時間の再結晶化熱処理を施す。このような再結晶化熱処理を施して、冷間圧延により生じた歪を回復させることで、所望のビッカース硬さを有すると共に、そのばらつきを低減したＴａターゲット素材を得ることができる。この際の熱処理温度が1000℃未満であると歪の回復が不十分となり、Ｔａ素材のビッカース硬さが高くなりすぎるおそれがある。一方、熱処理温度が1500℃を超えると、逆にＴａ素材のビッカース硬さが軟らかくなりすぎるおそれがある。このような場合には硬さのばらつきも大きくなりやすい。   Thereafter, the cold-rolled material is subjected to a recrystallization heat treatment at a temperature of 1000 to 1500 ° C. for 5 to 10 hours in a vacuum atmosphere of 0.1 Pa or less. By performing such a recrystallization heat treatment to recover the strain caused by cold rolling, a Ta target material having a desired Vickers hardness and reduced variation can be obtained. If the heat treatment temperature at this time is less than 1000 ° C., the recovery of strain becomes insufficient, and the Vickers hardness of the Ta material may be too high. On the other hand, if the heat treatment temperature exceeds 1500 ° C., the Vickers hardness of the Ta material may be too soft. In such a case, the variation in hardness tends to increase.

上述したような加工条件および熱処理条件でＴａターゲットの基となるターゲット素材を加工することによって、ターゲットとした場合のビッカース硬さのばらつきを20％以下に再現性よく制御することができる。また、Ｔａターゲットの具体的なビッカース硬さをHv70〜150の範囲に制御することができる。このようにして得たＴａターゲット素材を所定の形状に機械加工し、さらに例えばＡｌやＣｕからなるバッキングプレートと接合することで、目的とするスパッタリングターゲット（Ｔａターゲット）が得られる。バッキングプレートとの接合には一般的な拡散接合やソルダー接合を適用することができる。ソルダー接合を適用する場合には、公知のＩｎ系やＳｎ系の接合材を介してバッキングプレートと接合する。また、拡散接合の温度は600℃以下とすることが好ましい。   By processing the target material that is the basis of the Ta target under the processing conditions and heat treatment conditions as described above, the variation in Vickers hardness when used as a target can be controlled to 20% or less with good reproducibility. Further, the specific Vickers hardness of the Ta target can be controlled in the range of Hv 70 to 150. The target sputtering target (Ta target) can be obtained by machining the Ta target material thus obtained into a predetermined shape and further joining it to a backing plate made of, for example, Al or Cu. General diffusion bonding or solder bonding can be applied to the bonding with the backing plate. When applying solder joint, it joins with a backing plate via the well-known In type or Sn type joining material. The temperature of diffusion bonding is preferably 600 ° C. or lower.

本発明の製造方法により得られるスパッタリングターゲットは、各種電子デバイスの配線膜形成用として用いることができ、Ｃｕ膜やＣｕ合金膜からなる配線膜に対するバリア層としてのＴａＮ膜の形成に好ましく用いられる。特に、反応性スパッタ法によるＴａＮ膜の成膜時に、Ｔａターゲットの各部位によるスパッタ粒子量（スパッタされるＴａ原子やそのクラスタの量）のばらつきが抑制されるため、ＴａＮ膜の膜厚の面内均一性を大幅に高めることができる。具体的には、従来のＴａターゲットでは実現することが困難であった4％以下の膜厚均一性を達成することが可能となる。膜厚の面内均一性に優れるＴａＮ膜は高集積化された半導体デバイスのバリア材料として有用である。   The sputtering target obtained by the production method of the present invention can be used for forming a wiring film of various electronic devices, and is preferably used for forming a TaN film as a barrier layer for a wiring film made of a Cu film or a Cu alloy film. In particular, when the TaN film is formed by the reactive sputtering method, the variation in the amount of sputtered particles (the amount of Ta atoms and clusters to be sputtered) from each part of the Ta target is suppressed. The internal uniformity can be greatly increased. Specifically, it becomes possible to achieve film thickness uniformity of 4% or less, which was difficult to realize with a conventional Ta target. A TaN film having excellent in-plane uniformity of film thickness is useful as a barrier material for highly integrated semiconductor devices.

本発明の製造方法により得られるスパッタリングターゲットが使用される具体的な配線構造としては、例えばＳｉＯ₂系の絶縁膜上にＴａＮ膜を成膜し、さらにその上にＣｕ配線膜（Ｃｕ膜またはＣｕ合金膜）を形成したＣｕ配線構造が挙げられる。このようなＣｕ配線構造によれば、例えばＤＤ配線技術を適用する際に好適な配線膜構造を提供することができ、高密度配線を高信頼性の下で再現性よく得ることが可能となる。これは超高集積タイプの半導体デバイスの製造歩留りの向上等に大きく貢献する。さらに、このようなＣｕ配線構造は、ＶＬＳＩ等の半導体デバイスに限らず、ＳＡＷデバイス、ＴＰＨ、ＬＣＤデバイス等の各種の電子部品に適用することができる。 As a specific wiring structure in which the sputtering target obtained by the manufacturing method of the present invention is used, for example, a TaN film is formed on a SiO ₂ insulating film, and a Cu wiring film (Cu film or Cu film) is further formed thereon. Cu wiring structure in which an alloy film) is formed. According to such a Cu wiring structure, for example, it is possible to provide a wiring film structure suitable when applying the DD wiring technology, and it is possible to obtain high-density wiring with high reproducibility with high reliability. . This greatly contributes to improving the manufacturing yield of ultra-highly integrated semiconductor devices. Furthermore, such a Cu wiring structure is applicable not only to semiconductor devices such as VLSI but also to various electronic components such as SAW devices, TPH, and LCD devices.

次に、本発明の具体的な実施例およびその評価結果について述べる。   Next, specific examples of the present invention and evaluation results thereof will be described.

実施例１
まず、純度99.99％のＥＢ溶解製Ｔａインゴット（直径250mm×30mm）を用意し、このＴａインゴットに冷間で絞め鍛造（径方向への加工率：54％）を施して、直径115mm×140mmのＴａ材を作製した。このＴａ材に1×10^-3Paの真空雰囲気中にて1300℃×5hrの条件で熱処理を施した。この際の昇温速度は15℃/minとした。次いで、熱処理後のＴａ材を直径250mm×30mmまで冷間ですえ込み鍛造（厚さ方向への加工率：79％）し、さらに1×10^-3Paの真空雰囲気中で1300℃×5hrの条件で熱処理（昇温速度：10℃/min）した。 Example 1
First, prepare an EB melting Ta ingot (diameter 250mm x 30mm) with a purity of 99.99%, and cold-draw forging (diameter processing rate: 54%) to this Ta ingot, and the diameter is 115mm x 140mm Ta material was produced. This Ta material was heat-treated in a vacuum atmosphere of 1 × 10 ⁻³ Pa under conditions of 1300 ° C. × 5 hr. The heating rate at this time was 15 ° C./min. Next, the heat-treated Ta material was cold forged to a diameter of 250 mm x 30 mm (working rate in the thickness direction: 79%), and further 1300 ° C x 5 hr in a vacuum atmosphere of 1 x 10 ^-3 Pa Heat treatment was performed under the conditions (temperature increase rate: 10 ° C./min).

次に、上記した鍛造処理および熱処理により得たＴａ材を直径350mm×15mmまで冷間圧延（圧延率：50％）した後、1×10^-3Paの真空雰囲気中にて1300℃×3hrの条件で再結晶化熱処理を行うことによって、ターゲット用のＴａ素材を作製した。このターゲット用Ｔａ素材を直径330mm×12mmの形状に機械加工した後、拡散接合法を用いてＡｌ製バッキングプレートと接合して、目的とするＴａスパッタリングターゲットを作製した。 Next, the Ta material obtained by the forging process and the heat treatment described above was cold-rolled to a diameter of 350 mm × 15 mm (rolling ratio: 50%) and then 1300 ° C. × 3 hr in a vacuum atmosphere of 1 × 10 ⁻³ Pa. A Ta material for a target was produced by performing recrystallization heat treatment under the conditions. The target Ta material was machined into a shape having a diameter of 330 mm × 12 mm, and then bonded to an Al backing plate using a diffusion bonding method to produce a target Ta sputtering target.

このようにして得たＴａスパッタリングターゲットのビッカース硬さを前述した方法（測定装置：島津製作所製HMV-2000）にしたがって測定した。その結果、ビッカース硬さ（平均値）はHv82、ビッカース硬さのばらつきは11％であった。このＴａスパッタリングターゲットを後述する特性評価に供した。表１にターゲットの製造条件（塑性加工中の熱処理条件）を、表２にＴａターゲットのビッカース硬さとそのばらつきを示す。   The Vickers hardness of the Ta sputtering target thus obtained was measured according to the method described above (measuring device: HMV-2000 manufactured by Shimadzu Corporation). As a result, the Vickers hardness (average value) was Hv82, and the variation in Vickers hardness was 11%. This Ta sputtering target was subjected to the characteristic evaluation described later. Table 1 shows the manufacturing conditions of the target (heat treatment conditions during plastic working), and Table 2 shows the Vickers hardness and variations of the Ta target.

実施例２〜４
上記した実施例１において、絞め鍛造後およびすえ込み鍛造後の熱処理条件（塑性加工中の熱処理条件）を、それぞれ1300℃×6hr（実施例２）、1300℃×8hr（実施例３）、1300℃×10hr（実施例４）に変更する以外は、実施例１と同一条件でターゲット用Ｔａ素材を作製した。これら各ターゲット用Ｔａ素材を用いて、実施例１と同様にＴａスパッタリングターゲットを作製した。これら各Ｔａスパッタリングターゲットのビッカース硬さとそのばらつきを前述した方法にしたがって測定した。その結果を表２に示す。このようなＴａスパッタリングターゲットを後述する特性評価に供した。 Examples 2-4
In Example 1 described above, the heat treatment conditions after heat-forging and after upset forging (heat treatment conditions during plastic working) are 1300 ° C. × 6 hr (Example 2), 1300 ° C. × 8 hr (Example 3), 1300, respectively. A Ta material for a target was produced under the same conditions as in Example 1 except that the temperature was changed to ° C. × 10 hr (Example 4). Using these target Ta materials, Ta sputtering targets were produced in the same manner as in Example 1. The Vickers hardness of each Ta sputtering target and its variation were measured according to the method described above. The results are shown in Table 2. Such a Ta sputtering target was subjected to the characteristic evaluation described later.

比較例１
実施例１と同様なＥＢ溶解製Ｔａインゴットを直径350mm×15mmまで冷間圧延した後、1×10^-3Paの真空雰囲気中にて1300℃×3hrの条件で再結晶化熱処理を行うことによって、ターゲット用のＴａ素材を作製した。このターゲット用Ｔａ素材を用いて、実施例１と同様にＴａスパッタリングターゲットを作製した。このＴａスパッタリングターゲットのビッカース硬さとそのばらつきを前述した方法にしたがって測定した。その結果を表２に示す。このＴａスパッタリングターゲットを後述する特性評価に供した。 Comparative Example 1
By cold rolling a EB melting Ta ingot similar to that in Example 1 to a diameter of 350 mm × 15 mm, a recrystallization heat treatment is performed in a vacuum atmosphere of 1 × 10 ⁻³ Pa at 1300 ° C. × 3 hr. A Ta material for the target was prepared. A Ta sputtering target was produced in the same manner as in Example 1 using this target Ta material. The Vickers hardness and variation of this Ta sputtering target were measured according to the method described above. The results are shown in Table 2. This Ta sputtering target was subjected to the characteristic evaluation described later.

比較例２〜７
上記した実施例１において、絞め鍛造後およびすえ込み鍛造後の熱処理条件（塑性加工中の熱処理条件）を、それぞれ1300℃×1hr（比較例２）、1300℃×2hr（比較例３）、1300℃×4hr（比較例４）、900℃×10hr（比較例５）、800℃×10hr（比較例６）、700℃×10hr（比較例７）に変更する以外は、実施例１と同一条件でターゲット用Ｔａ素材を作製した。これら各ターゲット用Ｔａ素材を用いて、実施例１と同様にＴａスパッタリングターゲットを作製した。これら各Ｔａスパッタリングターゲットのビッカース硬さとそのばらつきを前述した方法にしたがって測定した。その結果を表２に示す。このようなＴａスパッタリングターゲットを後述する特性評価に供した。 Comparative Examples 2-7
In Example 1 described above, the heat treatment conditions after heat-forging and after forging (heat treatment conditions during plastic working) are 1300 ° C. × 1 hr (Comparative Example 2), 1300 ° C. × 2 hr (Comparative Example 3), 1300, respectively. Same conditions as in Example 1 except for changing to ℃ × 4hr (Comparative Example 4), 900 ° C × 10hr (Comparative Example 5), 800 ° C × 10hr (Comparative Example 6), 700 ° C × 10hr (Comparative Example 7) Thus, a Ta material for a target was produced. Using these target Ta materials, Ta sputtering targets were produced in the same manner as in Example 1. The Vickers hardness of each Ta sputtering target and its variation were measured according to the method described above. The results are shown in Table 2. Such a Ta sputtering target was subjected to the characteristic evaluation described later.

上述した実施例１〜４および比較例１〜７の各Ｔａスパッタリングターゲットをそれぞれ用いて、スパッタ方式：ＤＣスパッタ、出力ＤＣ：18kW、基板バイアス：-100V、背圧：1×10^-5Pa、基板−ターゲット間距離：300mm、Ａｒ：5sccm、Ｎ：20sccm、スパッタ時間：5minの条件下で反応性スパッタを行い、それぞれ8インチのＳｉウェーハ上にＴａＮ膜（目標膜厚：0.2μm）を成膜した。このようにして得た各ＴａＮ膜の膜厚を、Ｓｉウェーハ上の9点（中心1点、中心から50mmの各位置の4点、中心から90mmの各位置の4点）について測定し、これら膜厚の最大値と最小値から｛（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）｝×100（％）に基づいて膜厚均一性（％）をそれぞれ求めた。この値を表２に示す。 Using the Ta sputtering targets of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 7 described above, sputtering method: DC sputtering, output DC: 18 kW, substrate bias: -100 V, back pressure: 1 × 10 ⁻⁵ Pa, Reactive sputtering was performed under the conditions of substrate-target distance: 300 mm, Ar: 5 sccm, N: 20 sccm, sputtering time: 5 min, and a TaN film (target film thickness: 0.2 μm) was formed on an 8-inch Si wafer. Filmed. The film thickness of each TaN film thus obtained was measured at 9 points on the Si wafer (1 point at the center, 4 points at each position 50 mm from the center, 4 points at each position 90 mm from the center), and these The film thickness uniformity (%) was determined based on {(maximum value−minimum value) / (maximum value + minimum value)} × 100 (%) from the maximum value and the minimum value of the film thickness. This value is shown in Table 2.

表２から明らかなように、実施例１〜４の各Ｔａスパッタリングターゲットによれば、膜厚の面内均一性に優れるＴａＮ膜が得られることが分かる。特に、従来のＴａターゲットでは実現することが困難であった4％以下の膜厚均一性を再現性よく達成することが可能であることが分かる。一方、ビッカース硬さのばらつきが大きい比較例１〜７の各Ｔａスパッタリングターゲットは、得られるＴａＮ膜の膜厚の面内均一性が劣っていることが分かる。   As can be seen from Table 2, according to each Ta sputtering target of Examples 1 to 4, a TaN film having excellent in-plane uniformity of film thickness can be obtained. In particular, it can be seen that a film thickness uniformity of 4% or less, which was difficult to achieve with a conventional Ta target, can be achieved with good reproducibility. On the other hand, it can be seen that the Ta sputtering targets of Comparative Examples 1 to 7 having large variations in Vickers hardness are inferior in the in-plane uniformity of the film thickness of the obtained TaN film.

Claims (6)

高純度Ｔａからなるスパッタリングターゲットの製造方法であって、
高純度Ｔａインゴットを作製する工程と、
前記高純度Ｔａインゴットに対して2軸以上の方向から鍛造を行う工程と、
前記鍛造工程の途中で1000〜1600℃の温度で5時間以上の条件での真空熱処理を2回以上行う工程と、
前記鍛造工程および真空熱処理工程を経たＴａ材に冷間圧延を施す工程と、
前記冷間圧延工程を経たＴａ材に0.1P以下の真空雰囲気中1000〜1500℃の温度で5〜10時間の条件で再結晶化熱処理を施す工程と
を具備することを特徴とするスパッタリングターゲットの製造方法。 A method for producing a sputtering target made of high-purity Ta,
Producing a high purity Ta ingot;
Forging from the direction of two or more axes to the high-purity Ta ingot;
A step of performing vacuum heat treatment twice or more at a temperature of 1000 to 1600 ° C. for 5 hours or more during the forging step;
Cold rolling the Ta material that has undergone the forging step and the vacuum heat treatment step;
And a step of subjecting the Ta material that has undergone the cold rolling process to a recrystallization heat treatment at a temperature of 1000 to 1500 ° C. in a vacuum atmosphere of 0.1 P or less for 5 to 10 hours . Production method. 請求項１記載のスパッタリングターゲットの製造方法において、
Ｔａ₂Ｏ₃鉱石に対してアルカリ融解法、分別結晶法、または電子ビーム溶解法を適用して前記高純度Ｔａインゴットを作製することを特徴とするスパッタリングターゲットの製造方法。 In the manufacturing method of the sputtering target of Claim 1,
A method for producing a sputtering target, wherein the high-purity Ta ingot is produced by applying an alkali melting method, a fractional crystallization method, or an electron beam melting method to Ta ₂ O ₃ ore. 請求項１または請求項２記載のスパッタリングターゲットの製造方法において、
前記鍛造工程における加工率をトータルで10〜98％の範囲とすることを特徴とするスパッタリングターゲットの製造方法。 In the manufacturing method of the sputtering target of Claim 1 or Claim 2,
The manufacturing method of the sputtering target characterized by making the processing rate in the said forging process into the range of 10 to 98% in total. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載のスパッタリングターゲットの製造方法において、
前記真空熱処理工程を0.1P以下の真空雰囲気中で行うことを特徴とするスパッタリングターゲットの製造方法。 In the manufacturing method of the sputtering target of any one of Claims 1 thru | or 3,
A method of manufacturing a sputtering target, wherein the vacuum heat treatment step is performed in a vacuum atmosphere of 0.1 P or less . 請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載のスパッタリングターゲットの製造方法において、
前記冷間圧延工程を加工率が10〜98％となるように行うことを特徴とするスパッタリングターゲットの製造方法。 In the manufacturing method of the sputtering target of any one of Claims 1 thru | or 4,
The manufacturing method of the sputtering target characterized by performing the said cold rolling process so that a processing rate may be 10 to 98%. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載のスパッタリングターゲットの製造方法において、
ビッカース硬さがHv70〜150の範囲であり、かつスパッタ面全体におけるビッカース硬さのばらつきが20％以下の前記スパッタリングターゲットを作製することを特徴とするスパッタリングターゲットの製造方法。 In the manufacturing method of the sputtering target of any one of Claims 1 thru | or 5 ,
A method for producing a sputtering target, comprising producing the sputtering target having a Vickers hardness in a range of Hv 70 to 150 and having a Vickers hardness variation of 20% or less over the entire sputtering surface.