JP6293929B2 - タンタルスパッタリングターゲット及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路の配線におけるバリアシード層の形成に適したタンタルスパッタリングターゲットに関し、特にスパッタレート（成膜速度）を適度に遅くすることで、ハイパワースパッタリング状況下においても、良好な膜厚均一性を実現することができるタンタルスパッタリングターゲット及びその製造方法に関する。

エレクトロニクス分野、耐食性材料や装飾の分野、触媒分野、切削・研磨材や耐摩耗性材料の製作等、多くの分野に金属やセラミックス材料等の被膜を形成するスパッタリング法が使用されている。スパッタリング法自体は上記の分野で、よく知られた方法であるが、最近では、特にエレクトロニクスの分野において、複雑な形状の被膜の形成や回路の形成に適合するタンタルスパッタリングターゲットが要求されている。

一般に、このタンタルターゲットは、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の鍛造、焼鈍（熱処理）を行い、さらに圧延及び仕上げ（機械、研磨等）加工してターゲットに加工されている。このような製造工程において、溶解鋳造されたインゴット又はビレットは、鍛造と再結晶焼鈍により、鋳造組織が破壊され、均一かつ微細な結晶粒が得られる。

スパッタリングを実施する場合、ターゲットの結晶粒が細かくかつ均一であるほど、均一な成膜が可能であり、安定した特性を持つ膜を得ることができる。また、成膜の均一性を改善するために、ターゲットの厚み方向の全てに亘って結晶方位を揃えることも有効である。なお、タンタルスパッタリングターゲットに関しては、以下の先行技術が知られている（特許文献１〜１１）。

近年、スパッタリングの成膜速度を上げるためにマグネトロンスパッタ装置を用いたハイパワースパッタが行われている。一方で、半導体集積回路の配線幅は微細化の一途を辿っており、ハイパワースパッタでは、最先端の微細配線パターンに均質な膜を形成するには成膜速度が高すぎてしまい、膜厚の均一性を制御できないという問題があった。特に、アスペクト比の大きい配線孔に極薄膜を形成する場合、その問題が顕著であった。

特開２００４−１０７７５８号公報 ＷＯ２００６／１１７９４９号公報 特開平１１−８０９４２号公報 特開２００４−１６２１１７号公報 ＷＯ２００４／０９０１９３号公報 ＷＯ２００５／０４５０９０号公報 特表２００８−５３２７６５号公報 特表２００７−５３６４３１号公報 特表２００２−５３０５３４号公報 特開２００２−３６３７３６号公報 特開２００１−２９５０３５号公報

本発明は、ハイパワースパッタ状況下において、成膜速度を適度に遅くすることが可能な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。このようなタンタルターゲットを用いてスパッタリング成膜した場合、微細配線においても、膜厚の均一性に優れた薄膜を形成することができると共に、薄膜形成プロセスにおける生産性を向上することができる。

上記の課題を解決するために、本発明者は鋭意研究を行った結果、圧延方法を工夫してタンタルスパッタリングターゲットの組織配向を所定の状態とした場合、ハイパワースパッタの状況下においても成膜速度を適度に遅くし、その結果、膜厚を制御することが可能となり、微細配線において、膜厚の均一性に優れた薄膜を形成することができるとの知見を得た。

このような知見に基づき、以下の発明を提供する。
１）ターゲットのスパッタ面に対して垂直な断面である圧延面法線方向：ＮＤを後方散乱電子回折法を用いて観察したとき、｛１００｝面がＮＤに配向している結晶粒の面積率が３０％以上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）ターゲットのスパッタ面に対して垂直な断面である圧延面法線方向：ＮＤを後方散乱電子回折法を用いて観察したとき、｛１００｝面がＮＤに配向している結晶粒の面積率と｛１１１｝面がＮＤに配向している結晶粒の面積率との比｛１００｝／｛１１１｝が１．５以上であることを特徴とする上記１）記載のタンタルスパッタリングターゲット。

本発明は、タンタルスパッタリングターゲットにおいて、その組織配向を所定の状態とすることにより、ハイパワースパッタの状況下においても、成膜速度を適度に遅くし、膜厚を制御することが可能となるので、微細配線において、膜厚の均一性に優れた薄膜を形成することができる。特に、アスペクト比の大きい配線孔に均一な薄膜を形成することができるという著しい効果を有する。

スパッタリングターゲットの組織の観察場所を示す図である。 ウエハ上に形成した膜のシート抵抗の測定個所を示す図である。 実施例１のターゲットのＥＢＳＰ観察による結晶方位分布である。

本発明のスパッタリングターゲットは、後方散乱電子回折法（ＥＢＳＰ法）を用いて、ターゲットのスパッタ面に対して垂直断面である圧延面法線方向：ＮＤを観察したとき、
｛１００｝面がＮＤに配向している結晶粒の面積率が３０％以上とすることを特徴とする。面積率については、ＥＢＳＰ装置（ＪＳＭ−７００１ＦＴＴＬＳ型 電界放出電子顕微鏡／結晶方位解析装置 ＯＩＭ６．０−ＣＣＤ／ＢＳ）を用いて、図１（右図）に示すようにスパッタ面に垂直な断面の組織（幅：２ｍｍ、高さ：６．３５ｍｍ）について、図１（左図）のように５箇所を観察し、｛１００｝面がＮＤに配向している結晶粒の平均の面積率を求める。

体心立方構造を有するタンタルは、原子の最密方向は＜１１１＞であり、スパッタ面とこの最密方向の関係が成膜速度の制御に重要になる。圧延面法線方向（ＮＤ）に対して｛１００｝面が配向している場合、スパッタ面の法線方向に対する最密方向の角度が大きく（広角に）なるため、ウエハー面内で部分的に膜が厚くなる箇所が減少し、膜厚均一性の良好な薄膜を形成することができる。なお、｛１００｝面がＮＤに配向している結晶粒には、｛１００｝面の圧延面法線方向（ＮＤ）に対する方位ずれが１５°以内の結晶粒を含む。また、｛１００｝面がＮＤに配向している結晶粒の面積率の上限値に特に制限はないが、現実的には６０％以上とすることは難しい。

また、本発明は、後方散乱電子回折法（ＥＢＳＰ法）を用いて、ターゲットのスパッタ面に対して垂直断面である圧延面法線方向：ＮＤを観察したとき、｛１００｝面がＮＤに配向している結晶粒の面積率と、｛１１１｝面がＮＤに配向している結晶粒の面積率の比｛１００｝／｛１１１｝が１．５以上とすることが好ましい。圧延面法線方向（ＮＤ）に｛１１１｝面が配向している場合は、最密方向がスパッタ面の法線方向と一致するため、成膜速度が速くなる。したがって、｛１００｝／｛１１１｝の比率が高いほど成膜速度を遅くすることができ、膜厚を厳密に制御することができる。なお、｛１１１｝面がＮＤに配向している結晶粒には、｛１１１｝面の圧延面法線方向（ＮＤ）に対する方位ずれが１５°以内の結晶粒を含む。また、｛１１１｝面がＮＤに配向している結晶粒の面積率は、上記｛１００｝面を有する結晶粒の面積率と同様の方法で求める。

また、本発明において、タンタルターゲットは、純度が９９．９９％以上であることが望ましい。ターゲット中の不純物は、半導体集積回路においてデバイス特性を劣化させる原因にもなるので、できるだけ高純度のものが好ましい。本発明において、純度９９．９９％（４Ｎ）とは、グロー放電質量分析法（ＧＤＭＳ）にて分析し、Ｎａ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｋ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒの合計値が１００ｐｐｍ未満であることを意味する。

本発明のタンタルスパッタリングターゲットの製造方法は、次の通りである。
まず、タンタルを溶解し、これを鋳造してインゴットを作製した後、このインゴットを鍛造する。その後、インゴットを締め鍛造してビレットとし、これを適当なサイズに切断した後、熱処理を行う。さらに、一次鍛造、一次熱処理し、さらに二次鍛造した後、２分割し、二次熱処理（好ましくは９５０〜１１００℃）を行う。上記の工程によって、本発明は特に制限されるものではなく、鍛造組織の調整のために、鍛造回数や熱処理の温度は適宜選択して実施することができる。

次に、１）一方向に２回以上連続して圧延し、２）９０度回転して、さらに２回以上連続して圧延し、これを、１→２→１→２→・・・のように２セット以上繰り返した後、所定の板厚みにする。前記圧延は、圧下率６％未満で組織配向を制御し、トータルの圧延率を８５％以上となるように調整する。圧下率６％未満の圧延のパス回数が配向の制御に大きく寄与し、パス回数が多いほうが｛１００｝配向率を大きくすることができるが、一方で、パス回数が多いと圧延の工数が増えてしまうため、このパス回数の条件を適切に調整することが重要である。また、圧延中に熱処理を行っても良いが、むしろ圧延中に熱処理を行わずに、後述のように最終圧延後に７５０〜１０００℃で熱処理（好ましくは４時間以上）することが推奨される。

次に、この圧延材を熱処理、好ましくは７５０〜１０００℃、１時間以上し、その
後、これを所望の形状に機械加工してターゲットとする。これによって、鍛造組織の破壊と圧延による均一かつ微細な組織とすることを効果的に行うことができる。圧延加工や熱処理により形成される本発明の集合組織は、ＥＢＳＰ法により、どの面が優先的に配向しているか把握し、その結果を圧延加工や熱処理の条件にフィードバックすることにより、所望の組織配向を得ることができる。

次に、実施例について説明する。なお、本実施例は発明の一例を示すためのものであり、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。すなわち、本発明の技術思想に含まれる他の態様及び変形を含むものである。

実施例、比較例における評価方法等は、以下の通りである。
（膜厚均一性及びその変動率について）
膜厚均一性及びその変動率は、各ターゲットライフ毎（各ウエハ毎）の膜厚の変動率（標準偏差／平均値×１００）の「平均値」及び「標準偏差」を用いて評価する。ターゲットライフは、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る。例えば、１５ｋＷの電力において１００時間スパッタリングした場合のターゲットライフは１５００ｋＷｈとなる。

具体的な評価としては、まず、３００ｋＷｈ（電力３００ｋＷで１時間）毎にスパッタリングを行い、計７枚のウエハに成膜する。そして、図２のように各ウエハの面内の４９箇所におけるシート抵抗を測定し、その値を膜厚に換算して（タンタルの抵抗値を１８０μΩｃｍとする）、膜厚の平均値と標準偏差を求める。そして、ウエハそれぞれに対して面内の膜厚変動率（％）＝標準偏差／平均値×１００を算出し、このウエハ毎に算出した「膜厚変動率の平均値」を膜厚均一性とする。この膜厚均一性の「変動率」については、前記で求めたウエハ毎の膜厚変動率を用いて、ウエハ間の（ターゲットライフに対する）標準偏差／平均値（膜厚均一性に相当）×１００とする。

（実施例１）
純度９９．９９７％のタンタル原料を電子ビーム溶解し、鋳造して長さ１０００ｍｍ、直径１９５ｍｍφのインゴットとした。次に、このインゴットを冷間で締め鍛造し、直径１５０ｍｍとした後に必要長さで切断し、ビレットを得た。次に、１２５０°Ｃの温度で熱処理し、再び冷間で一次鍛造し、１０００°Ｃで熱処理し、次いで冷間で二次鍛造を行い、２分割し、再度１０００°Ｃで熱処理した。

次に、鍛造ビレットを冷間圧延した。圧延工程は、圧下率６％未満の連続圧延パスを合計３０回繰り返し、その後、圧下率６％以上の圧延パスで圧延した。圧延後、これを８００°Ｃで熱処理した。次に、得られた厚さ１０ｍｍ、５００ｍｍφのターゲット素材に対して仕上げ機械加工を行って、厚さ６．３５ｍｍ、４５０ｍｍφのタンタルスパッタリングターゲットを作製した。

以上の工程によって得られたタンタルスパッタリングターゲットについて、その表面を研磨紙（＃２０００相当）で磨き、さらにポリプラ液を使用してバフ研磨して鏡面に仕上げ、その後、フッ酸、硝酸、塩酸の混合液で処理した。得られた研磨面について、ＥＢＳＰ装置（ＪＳＭ−７００１ＦＴＴＬＳ型 電界放出電子顕微鏡／結晶方位解析装置 ＯＩＭ６．０−ＣＣＤ／ＢＳ）を用いて、図１に示すように、スパッタ面に垂直な断面の組織（幅：２ｍｍ、高さ：６．３５ｍｍ）について５箇所観察した。また図３に結晶方位分布を示す。その結果、｛１００｝面がＮＤに配向している結晶粒の面積率は４９．５％であった。｛１１１｝面がＮＤに配向している結晶粒の面積率は１４．３％であった。また｛１００｝／｛１１１｝の面積率の比は３．４６であった。次に、このターゲットを使用してスパッタリングを実施したところ、膜厚均一性は、２．１、膜厚均一性の変動率は４と良好であった。また、成膜速度が５．５Ａ／秒と所望のスパッタレートが得られた。この結果を、同様に表１に示す。

（実施例２−５）
実施例１と同様の方法等を用いて鍛造ビレットを作製した。次に、鍛造ビレットを冷間圧延した。圧延工程は、圧下率６％未満の連続圧延パスの合計回数を表１に示すように調整し、その後、トータル圧下率が８５％以上となるように、圧下率６％以上の圧延パスで圧延した。圧延後、８００°Ｃで熱処理した。次に、得られた厚さ１０ｍｍ、５００ｍｍφのターゲット素材に対して仕上げ機械加工を行って、厚さ６．３５ｍｍ、４５０ｍｍφのタンタルスパッタリングターゲットを作製した。

以上の工程によって得られたスパッタリングターゲットについて、実施例１と同様の方法を用いて、ターゲットのスパッタ面に垂直な断面の組織を観察した。その結果、いずれも｛１００｝面がＮＤに配向している結晶粒の面積率は３０％以上であった。また、｛１００｝／｛１１１｝の面積率の比はいずれも１．５以上であった（但し、実施例４は除く）。次に、このターゲットを使用してスパッタリングを実施したところ、膜厚均一性及び膜厚均一性の変動率は良好であった。また、成膜速度も所望のスパッタレートが得られた。これらの結果を同様に表１に示す。

（比較例１−５）
実施例１と同様の方法等を用いて鍛造ビレットを作製した。次に、鍛造ビレットを冷間圧延した。圧延工程は、圧下率６％未満の連続圧延パスの合計回数を表１に示すように調整し、その後、トータル圧下率が８５％以上となるように、圧下率６％以上の圧延パスで圧延した。圧延後、８００°Ｃで熱処理した。次に、得られた厚さ１０ｍｍ、３５０ｍｍφのターゲット素材に対して仕上げ機械加工を行って、厚さ６．３５ｍｍ、３２０ｍｍφのタンタルスパッタリングターゲットを作製した。

以上の工程によって得られたスパッタリングターゲットについて、実施例１と同様の方法を用いて、ターゲットのスパッタ面に垂直な断面の組織を観察した。その結果、いずれも｛１００｝面がＮＤに配向している結晶粒の面積率は３０％未満であった。また、｛１００｝／｛１１１｝の面積率の比は、いずれも１．５未満であった。次に、このターゲットを使用してスパッタリングを実施したところ、膜厚均一性及び／又は膜厚均一性の変動率が低下した。また、高いスパッタレートとなった。これらの結果を同様に表１に示す。

本発明は、タンタルスパッタリングターゲットにおいて、その組織配向を所定の状態とすることにより、ハイパワースパッタの状況下においても、成膜速度を適度に遅くし、膜厚を制御することが可能となるので、膜厚均一性に優れた薄膜を形成することができる。半導体集積回路の素子配線用の薄膜形成に使用するタンタルスパッタリングとして有用である。

Claims (2)

1. ターゲットのスパッタ面に対して垂直な断面である圧延面法線方向：ＮＤを後方散乱電子回折法を用いて観察したとき、｛１００｝面がＮＤに配向している結晶粒の面積率が３０％以上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. ターゲットのスパッタ面に対して垂直な断面である圧延面法線方向：ＮＤを後方散乱電子回折法を用いて観察したとき、｛１００｝面がＮＤに配向している結晶粒の面積率と
   ｛１１１｝面がＮＤに配向している結晶粒の面積率との比｛１００｝／｛１１１｝が１．５以上であることを特徴とする請求項１記載のタンタルスパッタリングターゲット。