JP5714506B2 - タンタルスパッタリングターゲットおよびタンタルスパッタリングターゲットの製造方法ならびに半導体素子の製造方法 - Google Patents

タンタルスパッタリングターゲットおよびタンタルスパッタリングターゲットの製造方法ならびに半導体素子の製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP5714506B2
JP5714506B2 JP2011541797A JP2011541797A JP5714506B2 JP 5714506 B2 JP5714506 B2 JP 5714506B2 JP 2011541797 A JP2011541797 A JP 2011541797A JP 2011541797 A JP2011541797 A JP 2011541797A JP 5714506 B2 JP5714506 B2 JP 5714506B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
tantalum
sputtering target
forging
manufacturing
tantalum sputtering
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2011541797A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2011061897A1 (ja
Inventor
信昭 中島
信昭 中島
折本 芳樹
芳樹 折本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Toshiba Materials Co Ltd
Original Assignee
Toshiba Corp
Toshiba Materials Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp, Toshiba Materials Co Ltd filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2011541797A priority Critical patent/JP5714506B2/ja
Publication of JPWO2011061897A1 publication Critical patent/JPWO2011061897A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5714506B2 publication Critical patent/JP5714506B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34Sputtering
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22FCHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21BROLLING OF METAL
    • B21B1/00Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations
    • B21B1/02Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling heavy work, e.g. ingots, slabs, blooms, or billets, in which the cross-sectional form is unimportant ; Rolling combined with forging or pressing
    • B21B1/024Forging or pressing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21BROLLING OF METAL
    • B21B1/00Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations
    • B21B1/22Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling plates, strips, bands or sheets of indefinite length
    • B21B1/24Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling plates, strips, bands or sheets of indefinite length in a continuous or semi-continuous process
    • B21B1/28Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling plates, strips, bands or sheets of indefinite length in a continuous or semi-continuous process by cold-rolling, e.g. Steckel cold mill
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34Sputtering
    • C23C14/3407Cathode assembly for sputtering apparatus, e.g. Target
    • C23C14/3414Metallurgical or chemical aspects of target preparation, e.g. casting, powder metallurgy
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/58After-treatment
    • C23C14/5806Thermal treatment
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104Forming layers
    • H01L21/02365Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612Formation types
    • H01L21/02617Deposition types
    • H01L21/02631Physical deposition at reduced pressure, e.g. MBE, sputtering, evaporation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/20Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)

Description

本発明の実施形態は、半導体素子の製造等に使用されるタンタルスパッタリングターゲット、およびタンタルスパッタリングターゲットの製造方法、ならびに半導体素子の製造方法に関する。
近年、半導体素子の高集積化に伴い、Al、Cuなどの金属配線幅は狭くなってきている。これに伴い、エレクトロマイグレーション特性の向上が要求されてきている。エレクトロマイグレーション特性を向上させるためには、配線金属の成膜後の結晶成長を金属結晶の最稠密面が柱状に成長するようにすることが望ましく、そのためには配線金属の下に形成されるTiNやTaNなどのバリア膜も同様に最稠密面が柱状になるようスパッタされるのが望ましい。
Cu配線を使う場合、そのバリア膜はTaN(窒化タンタル)膜が最適である。TaN膜は、高純度Taスパッタリングターゲットを窒素雰囲気中で成膜することにより得ている。バリア膜を最稠密面が柱状になるようにスパッタさせるためには、ターゲット金属の結晶粒径の微細化および結晶配向性のランダム化が必要である。さらに、スパッタ膜の均一性を向上させるためには、鋳造組織の残存(ゴーストグレイン)を解消しなければならない。
従来、Taスパッタリングターゲットの製造において、インゴットを冷間で絞め鍛造した後、冷間ですえ込み鍛造することが知られている(例えば、特許文献1参照)。絞め鍛造は、円柱状インゴットの直径方向に圧力を加える加工である。また、据え込鍛造は、絞め鍛造により長軸方向に伸びたインゴットを長軸方向に薄板にするための加工である。どちらも一定方向から圧力を掛けて塑性変形させる加工である。しかし、一定方向からの圧力のみによる塑性変形では、平均結晶粒径が微細になると結晶方位が特定の方位に配向しやすい。
また、Taスパッタリングターゲットの製造において、冷間こねくり鍛造を行うことが知られている(例えば、特許文献2参照)。こねくり鍛造は、インゴットの厚さ方向と直径方向とに交互に圧力を加えて塑性変形を行う加工方法である。厚さ方向と直径方向とに順に圧力を加えることから、特定の結晶配向が生じる可能性は低くなる。しかし、平均結晶粒径50μm以下の微細な結晶構造を有するTaスパッタリングターゲットを製造したとき、スパッタ面については均一なランダム配向が得られたとしても、厚さ方向については必ずしも均一なランダム配向を得られない。このため、長時間スパッタするとスパッタレートのズレなどの不具合が生じ均一な膜が得られないといった問題がある。
特許登録第3898043号明細書 特許登録第4263900号明細書
実施形態のタンタルスパッタリングターゲットは、平均結晶粒径50μm以下の微細結晶構造を有し、かつ均一なランダム配向を具備するものを提供することを目的としている。実施形態のタンタルスパッタリングターゲットの製造方法は、平均結晶粒径50μm以下の微細結晶構造を有し、かつ均一なランダム配向を具備するタンタルスパッタリングターゲットを製造するための製造方法を提供することを目的としている。実施形態の半導体素子の製造方法は、平均結晶粒径50μm以下の微細結晶構造を有し、かつ均一なランダム配向を具備するタンタルスパッタリングターゲットを用いた半導体素子の製造方法を提供することを目的としている。
実施形態のタンタルスパッタリングターゲットは、タンタル純度99.99wt%以上、かつ平均結晶粒径が50μm以下のタンタルスパッタリングターゲットにおいて、スパッタ面のX線回折(2θ)を測定したとき、(110)、(211)、(200)の各面のピークの相対強度が(110)>(211)>(200)の順で小さくなる、ランダムな結晶状態を有することを特徴とする。
実施形態のタンタルスパッタリングターゲットの製造方法は、第1のこねくり鍛造工程、第1の熱処理工程、第2のこねくり鍛造工程、冷間圧延工程、および第2の熱処理工程を具備することを特徴とする。
第1のこねくり鍛造工程は、円柱形状タンタルインゴットまたはビレットからなるタンタル素材に対して、厚さ方向に平行な方向と垂直な方向との冷間鍛造加工を1セットとし、かつ1セットあたりの加工率が35%以上55%以下であるこねくり鍛造を2セット以上行う。第1の熱処理工程は、第1のこねくり鍛造工程後に1000℃以上1400℃以下の温度で再結晶化させる。
第2のこねくり鍛造工程は、第1の熱処理工程後に、厚さ方向に平行な方向と垂直な方向との冷間鍛造加工を1セットとし、かつ1セットあたりの加工率が35%以上55%以下であるこねくり鍛造を1セット以上行う。冷間圧延工程は、第2のこねくり鍛造工程後に、加工率が80%以上95%以下の冷間圧延を行う。第2の熱処理工程は、冷間圧延工程後、900℃以上1100℃以下の温度で熱処理する。
実施形態の半導体素子の製造方法は、タンタルスパッタリングターゲットを用いてスパッタリングする工程を有する。実施形態の半導体素子の製造方法は、タンタルスパッタリングターゲットとして上記した実施形態のタンタルスパッタリングターゲットを用いることを特徴とする。
実施形態の円柱状タンタル素材の一例を示す外観図。 実施形態の円柱状タンタル素材を横方向から見た一例を示す平面図。 実施形態の円柱状タンタル素材を上方向から見た一例を示す平面図。
以下、実施形態について説明する。
実施形態のタンタルスパッタリングターゲットの製造方法は、第1のこねくり鍛造工程、第1の熱処理工程、第2のこねくり鍛造工程、冷間圧延工程、および第2の熱処理工程を具備することを特徴とする。
第1のこねくり鍛造工程は、円柱形状タンタルインゴットまたはビレットからなるタンタル素材に対して、厚さ方向に平行な方向と垂直な方向との冷間鍛造加工を1セットとするこねくり鍛造を2セット以上行う。第1の熱処理工程は、こねくり鍛造工程後に1000℃以上の温度で再結晶化させる。
第2のこねくり鍛造工程は、第1の熱処理工程後に、厚さ方向に平行な方向と垂直な方向との冷間鍛造加工を1セットとするこねくり鍛造を1セット以上行う。冷間圧延工程は、第2のこねくり鍛造工程後に、冷間圧延を行う。第2の熱処理工程は、冷間圧延工程後、900℃以上の温度で熱処理する。
円柱形状タンタルインゴットまたはビレットからなるタンタル素材とは、例えば図1に示したように円柱形状を具備するものである。図2に、円柱状タンタル素材の厚さH、直径Wを示した。円柱状タンタル素材のサイズは、特に限定されるものではないが、厚さHが20〜200mm、直径Wが100〜300mmくらいのものが取扱い易い。
タンタル素材は、EB溶解法などの鋳造により高純度化されたタンタル純度99.99%以上(4N以上)のものが好ましい。タンタルターゲットの純度はタンタル素材の純度に準ずるためである。例えば、純度99.999wt%以上(5N以上)のタンタルターゲットが必要な時は、純度99.999wt%以上のタンタル素材を使うものとする。
このような円柱状タンタル素材に対して、厚さ方向に平行な方向と垂直な方向との冷間鍛造加工を1セットとするこねくり鍛造を2セット以上行う第1のこねくり鍛造工程を行う。厚さ方向に平行な方向とは厚さH方向のことであり、厚さ方向に垂直な方向とは直径W方向のことである。厚さH方向と直径W方向とを交互に鍛造するこねくり鍛造を1セットとしたとき、これを2セット以上行うものとする。
こねくり鍛造は、異なる方向から圧力を加えることから、結晶粒径の微細化を達成し、特定の方向に結晶配向が偏ることを防ぐことができる。また、鋳造により製造されたタンタル素材の鋳造組織(ゴーストグレイン)を減少させることができる。こねくり鍛造の回数(セット数)は多いほど良いが、あまり回数が多いと製造コストを上げ、素材の割れ、シワなどが発生しやすくなるのでこねくり鍛造回数は2〜4セットが好ましい。
第1のこねくり鍛造工程後のタンタル素材のビッカース硬度Hvは150以上が好ましい。こねくり鍛造を2セット以上行うことにより組織の均質化が図られタンタル素材の硬度が高くなる。しかしながら、後述の製造工程を考慮したとき、Hv150未満にしたとしても、これ以上の効果は得られず、こねくり鍛造工程を無駄に行うことになる。従って、第1のこねくり鍛造工程のセット数を制御する上でもビッカース硬度Hv150以上になるようにこねくり鍛造を行うことが好ましい。
直径W方向の圧力は、常に一定方向である必要はなく、途中で方向を変えることが好ましい。例えば、図3に示したように、1セット目は圧力付加方向2とし、2セット目は1セット目の圧力付加方向2に垂直な方向である圧力付加方向3のように、圧力を付加する方向を変えることが好ましい。なお、1セットの中で圧力を付加する方向を変えることも有効である。直径W方向においても圧力を付加する方向を変えることにより、結晶粒径の微細化を達成し、特定の方向に結晶配向が偏ることを防ぐ効果をより得ることができる。また、第1のこねくり鍛造は冷間鍛造が好ましい。熱間で行うと酸化により表面割れが発生してしまうおそれがある。また、結晶の粒成長が起きるので、平均結晶粒径50μm以下の微細な結晶組織が得られないおそれがある。
第1のこねくり鍛造工程の後に、1000℃以上の温度で再結晶化させる第1の熱処理工程を行う。第1のこねくり鍛造工程により、円柱状タンタル素材に生じた内部歪を熱処理により除去し、さらに再結晶化させて均一な微細結晶構造を得ることができる。熱処理温度は1000〜1400℃、1〜10時間が好ましい。熱処理温度が1400℃を超えるまたは熱処理時間が10時間を超えると粒成長を伴うおそれがある。好ましくは1100〜1300℃×3〜7時間である。また、雰囲気は0.133Pa以下の真空雰囲気が好ましい。酸素含有雰囲気では熱処理中に表面が酸化されるおそれがあるためである。
第1の熱処理工程の後、第2のこねくり鍛造工程を行う。こねくり鍛造自体の詳細は第1のこねくり鍛造工程におけるこねくり鍛造と同様であるが、こねくり鍛造回数は1セット以上であればよく、1〜4セットが好ましい。2セット以上とする場合、セット毎に直径W方向に付加する圧力方向を変えることが好ましく、例えば図3に示したように、1セット目は圧力付加方向2とし、2セット目は1セット目の圧力付加方向2に垂直な方向である圧力付加方向3のように、圧力を付加する方向を変えることが好ましい。第2のこねくり鍛造工程も冷間鍛造が好ましい。第2のこねくり鍛造により、結晶粒径の微細化をより推進することができる。
第2のこねくり鍛造工程後、冷間圧延工程を行う。冷間圧延は、円柱状タンタル素材を板状に塑性加工する工程である。必要に応じ、冷間圧延は2回以上行ってもよい。冷間圧延工程により、厚さ20mm以下、好ましくは10〜15mmの板厚にすることが望ましい。冷間圧延工程により調製した板厚から切削加工を施してスパッタリングターゲットの板厚とする。なお、第2のこねくり鍛造工程と冷間圧延工程との間には熱処理工程は行わない方がよい。第2のこねくり鍛造工程により均質化されたタンタル素材をそのまま冷間圧延した方が好ましい。
第1のこねくり鍛造工程、第2のこねくり鍛造工程、および冷間圧延工程の加工率は任意であるが、第1のこねくり鍛造工程、第2のこねくり鍛造工程、および冷間圧延工程の少なくとも1つの工程におけるこねくり鍛造(1セットあたり)または冷間圧延は、断面減少率または厚さ減少率が35%以上であることが好ましい。断面減少率は、円柱状タンタル素材の直径W方向の断面積の減少率である。厚さ減少率は円柱状タンタル素材の厚さH方向の減少率である。例えば、第1のこねくり鍛造工程はこねくり鍛造を2セット以上行っている。加工率35%以上とは、1セットあたりに行った結果の加工率である。
加工率35%以上の工程は、冷間工程であることが好ましい。例えば、第1のこねくり鍛造工程→第1の熱処理工程→第2のこねくり鍛造工程を行った後であると、加工率35%以上の冷間圧延を行ったとしても内部歪の発生を抑制しやすい。加工率が低いと内部歪の発生は抑制できるが各工程を何度も繰り返すことなり製造時間が掛り過ぎる。そのため、どこかの工程で加工率35%以上の工程を行うことが好ましい。なお、加工率の上限は99%以下が好ましい。一つの工程で99%を超える加工率で加工すると内部歪、割れ、シワなどが発生し易い。
より好ましくは、第1、第2のこねくり鍛造工程、および冷間圧延工程の全ての工程で加工率35%以上である。なお、加工率は、上記したようにこねくり鍛造を2セット以上行うものについては1セットあたりの加工率である。加工率35%以上とは、断面減少率または厚さ減少率の少なくとも一方が35%以上となればよい。特に好ましくは、第1、第2のこねくり鍛造工程はそれぞれ加工率35〜55%、冷間圧延工程は加工率80〜95%である。
冷間圧延工程後、900℃以上の温度で熱処理する第2の熱処理工程を行う。熱処理条件は900〜1100℃×2〜5時間が好ましい。また、雰囲気は0.133Pa以下の真空雰囲気が好ましい。酸素含有雰囲気では熱処理中に表面が酸化されるおそれがあるためである。第2の熱処理工程により、第2のこねくり鍛造工程および冷間圧延工程により生じた内部歪を除去すると共に、再結晶化させることができる。第2の熱処理工程後は、必要に応じ、旋盤加工などの切削加工により形状を整える。また、拡散接合によりバッキングプレートを接合するものとする。
このような製造方法であれば、平均結晶粒径50μm以下の微細な結晶構造とランダムな結晶配向とを両立することができる。また、純度の高いタンタル素材を使うことにより、純度99.99%以上で微細結晶構造とランダムな結晶配向とを有する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。また、鋳造組織が残存したゴーストグレインの無い微細結晶構造を形成することができる。ゴーストグレインの存在により部分的にランダム配向ではない部分ができてしまうため好ましくない。
平均結晶粒径の測定は、光学顕微鏡写真により、単位面積500μm×500μmの拡大写真を撮り、線インターセプト法により行う。線インターセプト法は、任意の直線(長さ500μm分)を引き、その線上にあるTa結晶粒径の数を数え、(500μm/直線500μm上の結晶の数)により平均の結晶粒径を求める。この作業を3回行った平均値を平均結晶粒径とする。
実施形態のスパッタリングターゲットは、スパッタ面がランダム配向している。さらに、このランダム配向が厚さ方向すべてに渡って維持されている。そのため、スパッタを行っている最中にスパッタレートが変化することなく均一な成膜を行うことができる。
ランダムな結晶配向の測定方法は、X線回折法(XRD)を用いる。ランダム配向したターゲットであればスパッタ面のX線回折(2θ)を測定したとき、(110)、(211)、(200)の各面のピークの相対強度が(110)>(211)>(200)の順で小さくなる。特定の結晶配向に配向しているときは各面の相対強度比の順番がずれる。XRDでは、他の面のピークとして、(220)、(310)、(222)なども検出されるが、ランダム配向か否かを判断するには(110)、(211)、(200)の各面のピークの相対強度を比較することが重要である。その理由は、これらの面のピークはPDF(Powder Diffraction File)データの強度が高いほうから主要3ピークであるためである。
また、このランダム配向が厚さ方向に渡って維持されているため、ターゲットの深さ方向にX線回折(2θ)を測定したとき、スパッタ面と同様に(110)、(211)、(200)の各面のピークの相対強度が(110)>(211)>(200)の順で小さくなる。
なお、X線回折法の測定条件は、Cuターゲット、管電圧40kV、管電流40mA、散乱スリット0.63mm、受光スリット0.15mmで行うものとする。 また、ゴーストグレインの有無は、上記XRDによっても分かる。ゴーストグレインが存在すると「(110)>(211)>(200)」でない部分が形成される。また、光学顕微鏡(拡大写真)で組織写真を撮ると、ゴーストグレインが存在すると、Ta結晶の粒界が不鮮明な組織がみられる。
実施形態のタンタルスパッタリングターゲットは、スパッタ面のランダム配向が厚さ方向に渡って維持されている。このため、ターゲット厚さが10mm以上の厚いターゲットにおいて長時間スパッタしたとしてもスパッタレートの変化が起き難い信頼性の高いスパッタ特性を示す。また、実施形態のタンタルスパッタリングターゲットは、スパッタ面の直径が300mm以上と大型のスパッタリングターゲットであっても、平均結晶粒径50μm以下かつ均質なランダム配向を維持できる。このため、スパッタ面のビッカース硬度Hvは80〜110の範囲内、かつビッカース硬度のばらつきが3%以下と均一な状態を得ることができる。
すなわち、スパッタ面直径300mm以上かつ厚さ10mm以上の大型スパッタリングターゲットにおいて、平均結晶粒径50μm以下かつスパッタ面の均質なランダム配向を厚さ方向に渡って維持することができる。その上でゴーストグレインの残存をなくすことができる。このため、成膜工程において長期間使用したとしてもスパッタレートの変化が起き難くなり、スパッタリングターゲットの厚さが2mm程度になるまで安定したスパッタリングを提供できる。使用後のタンタルスパッタリングターゲットは再利用されることが多い。通常、余ったターゲットを溶解して再度インゴットにして使う。タンタルは高融点金属であるため溶解するには高温炉が必要であり、コスト負荷の要因となる。このため、残余となるターゲット部分が少ない方が好ましい。
実施形態の半導体素子の製造方法は、タンタルスパッタリングターゲットを用いてスパッタリングする工程を有する。実施形態の半導体素子の製造方法では、タンタルスパッタリングターゲットとして上記した実施形態のタンタルスパッタリングターゲットを用いる。
タンタルは、窒化タンタル(TaN)として半導体素子のバリア膜に用いられる。このため、スパッタリング工程は窒素含有雰囲気下で行うことが好ましい。実施形態のタンタルスパッタリングターゲットであれば、長期間のスパッタリングにおける信頼性が高いことから、半導体素子の信頼性を向上させることができる。
(実施例1〜5、比較例1)
直径W100〜300mm×厚さH100〜200mmのタンタル素材(純度99.99wt%以上の高純度タンタルビレット)を用意し、表1に示す製造工程を施した。なお、表1において、加工率(%)は、直径W方向の断面減少率(%)または厚さH方向の厚さ減少率(%)の少なくとも一方のうち、大きい方の値を記載した。加工率は1回(1セット)あたりの加工率であり、回数(セット数)が2以上のものについては同様の加工率とした。また、回数(セット数)が2以上のものについては、図3に示すように回毎(セット毎)に直径W方向における圧力付加方向を垂直な方向に交互に変更して行った。さらに、第1のこねくり鍛造工程後のビッカース硬度Hvは、実施例、比較例とも150以上であった。
Figure 0005714506
表1の製造工程を経たタンタル素材を旋盤加工して、表2に示すサイズのスパッタリングターゲットを得た。各ターゲットにおける平均結晶粒径(μm)、ランダム配向の有無を確認した。
平均結晶粒径の測定は、スパッタ面および断面から単位面積500μm×500μmの拡大写真(光学顕微鏡写真)を撮り、線インターセプト法(直線3本の平均値)により求めた。ランダム配向の有無は、スパッタ面およびスパッタ面から深さ10mmまで掘ったところから任意の測定箇所を選択しX線回折分析(2θ)を行った。なお、X線回折は、Cu−Kα(ターゲットCu)、管電圧40kV、電流40mA、散乱スリット0.63mm、受光スリット0.15mmで行った。その結果を表2に示す。なお、結晶組織はいずれも再結晶化されていた。
Figure 0005714506
次に各実施例または比較例に係るスパッタリングターゲットに拡散接合によりバッキングプレートを接合した後、スパッタ成膜を行った。そのとき、スパッタ後のエロージョン面のゴーストグレインの有無を確認した。スパッタ条件は窒素雰囲気中で行った。その結果を表3に示す。
Figure 0005714506
本実施例に係るターゲットはスパッタ後のエロージョン面に鋳造組織の残留であるゴーストグレインは見られず、安定したスパッタ特性を示した。これに対し、比較例のものはゴーストグレインが見られ、これは鋳造組織が残存し、スパッタ面のランダム配向が厚さ方向に渡って維持されていないためである。
この結果、本実施例に係るタンタルスパッタリングターゲットは信頼性の高いスパッタ特性を示すことが可能となる。このため、半導体素子の信頼性をも向上させることが可能となる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
実施形態のタンタルスパッタリングターゲットの製造方法によれば、スパッタ特性の安定したものを製造することができる。これにより、半導体素子の信頼性を向上させることができる。また、スパッタ後の残余を少なくすることができ、再利用のためのコストも低減できる。
1…円柱状タンタル素材、H…円柱状タンタル素材の厚さ、W…円柱状タンタル素材の直径。

Claims (7)

  1. 円柱形状タンタルインゴットまたはビレットからなるタンタル素材に対して、厚さ方向に平行な方向と垂直な方向との冷間鍛造加工を1セットとし、かつ1セットあたりの加工率が35%以上55%以下であるこねくり鍛造を2セット以上行う第1のこねくり鍛造工程と、
    第1のこねくり鍛造工程後に1000℃以上1400℃以下の温度で再結晶化させる第1の熱処理工程と、
    第1の熱処理工程後に、厚さ方向に平行な方向と垂直な方向との冷間鍛造加工を1セットとし、かつ1セットあたりの加工率が35%以上55%以下であるこねくり鍛造を1セット以上行う第2のこねくり鍛造工程と、
    第2のこねくり鍛造工程後に、加工率が80%以上95%以下の冷間圧延を行う冷間圧延工程と、
    冷間圧延工程後、900℃以上1100℃以下の温度で熱処理する第2の熱処理工程とを具備し、
    タンタル純度が99.99wt%以上で、平均結晶粒径が50μm以下であると共に、スパッタ面のX線回折(2θ)を測定したとき、(110)、(211)、(200)の各面のピークの相対強度が(110)>(211)>(200)の順で小さくなる、ランダムな結晶状態を有するタンタルスパッタリングターゲットを製造す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の製造方法。
  2. 冷間圧延工程における冷間圧延を2回以上行う請求項1記載のタンタルスパッタリングターゲットの製造方法。
  3. 第1のこねくり鍛造後のタンタル素材のビッカース硬度Hvの平均値がHv150以上である請求項1または請求項2記載のタンタルスパッタリングターゲットの製造方法。
  4. タンタル純度99.99wt%以上で、かつ平均結晶粒径50μm以下のタンタルスパッタリングターゲットにおいて、
    スパッタ面のX線回折(2θ)を測定したとき、(110)、(211)、(200)の各面のピークの相対強度が(110)>(211)>(200)の順で小さくなる、ランダムな結晶状態を有す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。
  5. ターゲットの深さ方向のX線回折(2θ)を測定したとき、(110)、(211)、(200)の各面のピークの相対強度が(110)>(211)>(200)の順で小さくなる、ランダムな結晶状態を有する、請求項記載のタンタルスパッタリングターゲット。
  6. タンタルスパッタリングターゲットを用いてスパッタリングする工程を有する半導体素子の製造方法であって、
    前記タンタルスパッタリングターゲットが請求項4または請求項5記載のタンタルスパッタリングターゲットであることを特徴とする半導体素子の製造方法。
  7. 前記スパッタリングは窒素含有雰囲気下で行われる請求項記載の半導体素子の製造方法。
JP2011541797A 2009-11-17 2010-11-04 タンタルスパッタリングターゲットおよびタンタルスパッタリングターゲットの製造方法ならびに半導体素子の製造方法 Active JP5714506B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011541797A JP5714506B2 (ja) 2009-11-17 2010-11-04 タンタルスパッタリングターゲットおよびタンタルスパッタリングターゲットの製造方法ならびに半導体素子の製造方法

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009262103 2009-11-17
JP2009262103 2009-11-17
JP2011541797A JP5714506B2 (ja) 2009-11-17 2010-11-04 タンタルスパッタリングターゲットおよびタンタルスパッタリングターゲットの製造方法ならびに半導体素子の製造方法
PCT/JP2010/006482 WO2011061897A1 (ja) 2009-11-17 2010-11-04 タンタルスパッタリングターゲットおよびタンタルスパッタリングターゲットの製造方法ならびに半導体素子の製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2011061897A1 JPWO2011061897A1 (ja) 2013-04-04
JP5714506B2 true JP5714506B2 (ja) 2015-05-07

Family

ID=44059384

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011541797A Active JP5714506B2 (ja) 2009-11-17 2010-11-04 タンタルスパッタリングターゲットおよびタンタルスパッタリングターゲットの製造方法ならびに半導体素子の製造方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8747633B2 (ja)
JP (1) JP5714506B2 (ja)
KR (4) KR20150039218A (ja)
WO (1) WO2011061897A1 (ja)

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103459657B (zh) * 2011-04-18 2015-05-20 株式会社东芝 高纯度Ni溅射靶及其制造方法
WO2013080801A1 (ja) 2011-11-30 2013-06-06 Jx日鉱日石金属株式会社 タンタルスパッタリングターゲット及びその製造方法
JP5324016B1 (ja) 2012-03-21 2013-10-23 Jx日鉱日石金属株式会社 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
SG11201501370PA (en) 2012-12-19 2015-04-29 Jx Nippon Mining & Metals Corp Tantalum sputtering target and method for producing same
WO2014097897A1 (ja) 2012-12-19 2014-06-26 Jx日鉱日石金属株式会社 タンタルスパッタリングターゲット及びその製造方法
US9859104B2 (en) 2013-03-04 2018-01-02 Jx Nippon Mining & Metals Corporation Tantalum sputtering target and production method therefor
CN105593399B (zh) 2013-10-01 2018-05-25 吉坤日矿日石金属株式会社 钽溅射靶
US20160208377A1 (en) 2014-03-27 2016-07-21 Jx Nippon Mining & Metals Corporation Tantalum sputtering target and method for producing same
WO2015151498A1 (ja) * 2014-03-31 2015-10-08 株式会社 東芝 スパッタリングターゲットの製造方法およびスパッタリングターゲット
KR101632024B1 (ko) * 2015-04-22 2016-06-21 국방과학연구소 탄탈륨의 미세조직 및 집합조직 제어방법
WO2016104878A1 (ko) 2014-12-22 2016-06-30 국방과학연구소 탄탈륨의 미세조직 및 집합조직 제어방법
US10658163B2 (en) 2015-05-22 2020-05-19 Jx Nippon Mining & Metals Corporation Tantalum sputtering target, and production method therefor
JP6293928B2 (ja) 2015-05-22 2018-03-14 Jx金属株式会社 タンタルスパッタリングターゲット及びその製造方法
JP6956080B2 (ja) 2015-12-23 2021-10-27 ノルスク・ヒドロ・アーエスアーNorsk Hydro Asa 改善された機械特性を有する熱処理可能なアルミニウム合金を製造するための方法
SG11201810892XA (en) * 2017-03-30 2019-01-30 Jx Nippon Mining & Metals Corp Tantalum sputtering target
US10760156B2 (en) 2017-10-13 2020-09-01 Honeywell International Inc. Copper manganese sputtering target
US11035036B2 (en) * 2018-02-01 2021-06-15 Honeywell International Inc. Method of forming copper alloy sputtering targets with refined shape and microstructure
KR102365295B1 (ko) * 2020-08-13 2022-02-22 국방과학연구소 금속을 반복하여 가공하는 방법
KR102365296B1 (ko) * 2020-08-13 2022-02-22 국방과학연구소 금속을 반복하여 가공하는 방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1180942A (ja) * 1997-09-10 1999-03-26 Japan Energy Corp Taスパッタターゲットとその製造方法及び組立体
JP2004162117A (ja) * 2002-11-13 2004-06-10 Nikko Materials Co Ltd Taスパッタリングターゲット及びその製造方法
WO2004090193A1 (ja) * 2003-04-01 2004-10-21 Nikko Materials Co., Ltd. タンタルスパッタリングターゲット及びその製造方法
JP2007302996A (ja) * 2006-04-13 2007-11-22 Ulvac Material Kk Taスパッタリングターゲットおよびその製造方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6348113B1 (en) * 1998-11-25 2002-02-19 Cabot Corporation High purity tantalum, products containing the same, and methods of making the same
JP3898043B2 (ja) 2001-11-30 2007-03-28 株式会社東芝 スパッタリングターゲットとそれを用いた半導体デバイスおよびスパッタリング装置
CN101857950B (zh) * 2003-11-06 2012-08-08 Jx日矿日石金属株式会社 钽溅射靶

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1180942A (ja) * 1997-09-10 1999-03-26 Japan Energy Corp Taスパッタターゲットとその製造方法及び組立体
JP2004162117A (ja) * 2002-11-13 2004-06-10 Nikko Materials Co Ltd Taスパッタリングターゲット及びその製造方法
WO2004090193A1 (ja) * 2003-04-01 2004-10-21 Nikko Materials Co., Ltd. タンタルスパッタリングターゲット及びその製造方法
JP2007302996A (ja) * 2006-04-13 2007-11-22 Ulvac Material Kk Taスパッタリングターゲットおよびその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20120082943A (ko) 2012-07-24
WO2011061897A1 (ja) 2011-05-26
JPWO2011061897A1 (ja) 2013-04-04
KR20150038585A (ko) 2015-04-08
US8747633B2 (en) 2014-06-10
US20120267236A1 (en) 2012-10-25
KR20150039219A (ko) 2015-04-09
KR20150039218A (ko) 2015-04-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5714506B2 (ja) タンタルスパッタリングターゲットおよびタンタルスパッタリングターゲットの製造方法ならびに半導体素子の製造方法
JP5718896B2 (ja) スパッタリングターゲットとその製造方法、および半導体素子の製造方法
JP6077102B2 (ja) スパッタリング用チタンターゲット及びその製造方法
TWI419987B (zh) Tantalum sputtering target
JP6721769B2 (ja) スパッタリングターゲットおよび半導体素子の製造方法
KR102134781B1 (ko) 스퍼터링 타깃의 제조 방법 및 스퍼터링 타깃
KR101944580B1 (ko) 탄탈 스퍼터링 타깃
JPWO2018180645A1 (ja) スパッタリングターゲット及び、その製造方法
JP5951599B2 (ja) 高純度Niスパッタリングターゲットおよびその製造方法
JP5638697B2 (ja) 高純度銅クロム合金スパッタリングターゲット
TWI558829B (zh) Sputtering titanium target
JP6293929B2 (ja) タンタルスパッタリングターゲット及びその製造方法
TWI695894B (zh) 濺鍍用鈦靶及其製造方法、以及含鈦薄膜的製造方法
JP2017150015A (ja) スパッタリングターゲット、およびスパッタリングターゲットの製造方法
JP2011149034A (ja) Ni合金スパッタリングターゲットおよびその製造方法並びに半導体素子の製造方法
JP6293928B2 (ja) タンタルスパッタリングターゲット及びその製造方法
JP2011127163A (ja) 成形性に優れるマグネシウム合金板材とその製造方法
JP7145963B2 (ja) スパッタリングターゲット及びその製造方法
JP5837214B2 (ja) ニオブスパッタリングターゲット
JP6595188B2 (ja) スパッタリングターゲットの製造方法
JP2019163544A (ja) スパッタリングターゲット、窒化チタン膜、配線層、および半導体素子
KR101374281B1 (ko) 스퍼터링 타겟용 탄탈륨 판재 및 그 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130510

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140924

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20141121

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20150210

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20150311

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5714506

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150