JP5325096B2 - 銅ターゲット - Google Patents

Description

本発明は、物理蒸着（物理気相堆積；physical vapor deposition）ターゲットおよび銅の物理蒸着ターゲットを形成する方法に関する。

物理蒸着（ＰＶＤ）法は、限定はしないが半導体製作中の半導体基板を含む様々な基板上に薄い金属膜を形成するために広く使用されている。例示的なＰＶＤ装置１０の一部の概略図が図１に示される。装置１０はターゲットアセンブリ１２を含む。図示したターゲットアセンブリは、ＰＶＤまたは「スパッタリング」ターゲット１６を連結するバッキングプレート１４を含む。代替のアセンブリ構成（図示せず）は、一体のバッキングプレートおよびターゲットを有する。そのようなターゲットは「一体型（monolithic）」ターゲットと呼ぶことができ、ここに、一体型という用語は、単一片の材料から、機械加工されるかまたは製作されることを意味し、別個に形成されたバッキングプレートとの組合せを含まない。

一般に、装置１０は、蒸着中に基板を支持するための基板保持部１８を含むであろう。半導体材料ウェハなどの基板２０はターゲット１６から間隔をおいて配置されるように準備される。ターゲット１６の表面１７はスパッタリング表面と呼ぶことができる。動作中、スパッタされた材料２４はターゲットの表面１７から移動させられ、基板を含むスパッタリングチャンバ内の表面上に堆積し、薄膜２２を形成することになる。

システム１０を利用するスパッタリングは、最も一般的に、真空チャンバで、例えば、ＤＣマグネトロンスパッタリングまたは高周波（ＲＦ；radio frequency）スパッタリングによって達成される。

金属および合金を含む様々な材料は物理蒸着を使用して堆積することができる。高純度の銅および銅合金を含む銅材料は、半導体製作中に様々な薄膜および構造を形成するために広く利用されている。材料の純度は酸化物などの微小粒子含有物を有する堆積膜に影響し、または他の非金属不純物が欠陥デバイスまたは不完全デバイスをもたらすことがあるので、スパッタリングターゲットは一般に高純度材料で製作される。本説明の目的のために、「高純度」という用語は、特定の金属または合金からなる金属材料（ガスを除いて）の量または重量パーセントによる金属純度を指す。例えば、９９．９９９９％の純度の銅材料は、重量による全非ガス含有量のうちの９９．９９９９％が銅原子である金属材料を指す。

材料純度に加えて、ターゲット材料の粒度および材料の粒度均一性などの要因も、特定のターゲットを利用して製造され得られた薄膜の品質に影響することがある。一般に、高品質薄膜を製造するのにＰＶＤターゲットに関して比較的小さい粒度が望ましい。しかし、高純度の銅および銅合金のターゲットを製造するための従来の方法は最終ターゲットに粗粒子の変則的な領域をもたらすことが最近示されている。改善された粒度均一性を有するターゲットおよび改善された粒度均一性をもつターゲットを製造する方法を開発することが望ましい。

一態様では、本発明は物理蒸着ターゲットを含む。このターゲットは銅材料から形成され、５０マイクロメートル未満の平均粒度を有する。ターゲットは、さらに、ターゲットの全体にわたって粗粒子領域がない。

一態様では、本発明は、ターゲットの全体にわたって５％未満の粒度不均一性（標準偏差）（１−σ）をもつ５０マイクロメートル未満の平均粒度を有する、銅材料の物理蒸着ターゲットを含む。銅材料は、重量で９９．９９９％以上の銅を含む高純度銅材料と銅合金とからなる群から選択される。

一態様では、本発明は銅の物理蒸着ターゲットを形成する方法を含む。この方法は、鋳放し銅材料（as-cast copper material）を準備をすることと、鋳放し材料の多段階処理を行うこととを含む。多段階処理の各段階は、加熱、熱間鍛造、および水焼入れを含む。多段階処理の後、銅材料は圧延されてターゲット素材（target blank）が製造される。

本発明の好ましい実施形態は、添付の図を参照しながら詳細に以下で説明される。

本件特許または特許出願のファイルはカラーで作成された少なくとも１つの図を含む。カラー図をもつこの特許または特許出願刊行物のコピーは、要求および必要手数料の支払いに応じて米国特許商標庁によって提供されよう。

一般に、本発明は、従来の方法を利用して製造されたターゲットと比べて粗粒子の領域が著しく低減されるかまたは除去されるように、粒度均一性を改善した物理蒸着ターゲットの製造を含む。具体的には、本発明は高純度銅ターゲットおよび高純度銅合金ターゲットの製造のために開発され、ここで、「高純度」という用語は一般に９９．９９％以上のベースとなる金属の純度を指す。材料が合金である場合、「高純度」という用語は１つまたは複数の合金元素が添加されたベースとなる銅の純度を指す。主として銅および銅合金のターゲットに関して説明されているが、本発明の方法は代替の金属材料または合金材料のターゲットの製造に適応することができることを理解されたい。

本発明によるターゲットは、従来のまたはまだ開発中のＰＶＤ堆積システムで利用するのに適したターゲットサイズおよび形状構成を有するように製造することができる。本発明のターゲットは、図１に示されたものなどの構成でバッキングプレートと共に利用するように構成することができる。あるいは、本発明のターゲットは、別個に形成されたバッキングプレートがない状態で利用できる一体型ターゲット（monolithic targets）とすることもできる。

本発明による銅ターゲットは、高純度銅または高純度銅合金を含むことができ、または本質的に高純度銅または高純度銅合金で構成することができ、または高純度銅または高純度銅合金から成ることができる。銅材料が銅合金を含む場合、材料は、好ましくは、銅と、Ａｇ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｓｎ、およびＴｉからなる群から選択された少なくとも１つの元素とを含むことができる。好ましい銅合金は、重量で約１０％以下の全合金元素を含むことができる。

従来の方法によって形成された高純度の銅および銅合金のターゲットのスパッタリングでは、約１００〜２００マイクロメートル以上の大きい粒子を有するような領域をもつ粗粒子領域の存在が示されている。そのような粒子の存在がそのようなターゲットを利用して形成された薄膜の品質および均一性に影響することが明らかになっている。対照的に、本発明による銅ターゲットおよび銅合金ターゲットは粗粒子領域の数および区域を低減し、特定の例では、本発明による方法はターゲットの全体にわたって粗粒子を完全に除去している。

本発明による方法が、図２を参照しながら全般的に説明される。全般的なプロセス１００は最初のステップ１１２で銅材料を準備することを含む。一般に、銅材料は、高純度銅または銅合金のいずれかの鋳放しビレット（as-cast billet）となるであろう。銅材料は、続いて熱機械的処理１１４を施される。従来の方法とは対照的に、本発明による熱機械的処理は多段階処理を利用することができ、各段階は加熱、それに続く鍛造、その後の焼入れを含む。多段階処理は、加熱、鍛造、および焼入れの段階または「繰返し」を少なくとも２つ含み、３つの段階または３つを超える段階を含むことができる。

多段階処理中、加熱している間の温度は特定の値に限定されず、処理される具体的な材料に応じて変えることができる。さらに、多段階処理の最初の段階は第１の温度で行われる加熱を利用することができ、一方、第２の段階の加熱は第１の温度とは異なる第２の温度で行われる。一般に、多段階処理中の各加熱は約４８２℃（９００°Ｆ）を超える温度で行われる。特定の例では、高純度の銅および特定の銅合金は各加熱中５６６℃（１０５０°Ｆ）で少なくとも３０分間加熱され、いくつか例では少なくとも６０分間加熱されることがある。加熱時間が特定の加熱温度に応じて変わることになることを理解されたい。

多段階処理中、鍛造は熱間アップセット鍛造（hot upset forging）を利用することができる。一般に、多段階処理の第１の段階で行われる鍛造は第１の高さ（ブロック厚）を有する鍛造ブロックを形成し、多段階処理の次の段階で行われる次の鍛造は第２の低減された高さを有する鍛造ブロックを形成することになる。各鍛造の後、鍛造ブロックは、好ましくは、冷水に入れて焼き入れされる。そのような焼入れは、好ましくは、少なくとも８分間行われ、具体的な時間は材料質量およびブロック厚によって決定される。

多段階処理は、最終的に、最終鍛造ブロックをもたらし、それは次に圧延プロセス１１６を施される。圧延プロセス１１６は、好ましくは、鍛造ブロックのさらなる厚さ低減のための冷間圧延を含む。圧延プロセス１１６は圧延素材（rolled blank）を形成し、それは一般に機械加工され清浄化されてターゲット素材（target blank）が形成される。

圧延素材は、熱処理１１８を含む付加的な処理を施され得る。ターゲットがＣｕＣｒバッキングプレートなどのバッキングプレートに接合されることになる場合、熱処理はターゲット／バッキングプレート接合プロセスの一部として行うことができる。一般に、そのような接合は熱間静水圧圧縮（ＨＩＰｐｉｎｇ（ＨＩＰ；hot isostatic pressing））を利用して行われる。このＨＩＰｐｉｎｇは、一般に少なくとも約２４９℃（４８０°Ｆ）の温度で行われるであろう。しかし、ＨＩＰｐｉｎｇ中の特定の接合温度は、接合される特定の高純度の銅材料または銅合金材料に応じて変わることがあることを理解されたい。高純度の銅材料または特定の銅合金が利用される特定の例では、接合は約２時間約３５０℃（６６２°Ｆ）の温度を利用して行われるであろう。本発明によれば、そのような接合は約１４０６ｋｇ／ｃｍ^２（２０ｋｓｉ）を超える接合強度を有する拡散接合をもたらす。

接合の後、ターゲット／バッキングプレートアセンブリは機械加工によってさらに処理されて完成した銅または銅合金ターゲットアセンブリが形成される。接合プロセスの一部として行われる熱処理は、銅材料の焼きなまし（アニーリング；annealing）または再結晶をもたらす。多段階処理と再結晶との組合せは、本質的に粗粒子領域のない微細粒度および均一粒子分布をもたらし、特定の例ではターゲットの全体にわたって粗粒子領域がなくなる。

バッキングプレートが存在しないターゲットとして圧延素材を利用することができる代替の実施形態では、圧延素材は、熱処理プロセス１１８に関して前述したような熱処理温度で焼きなまし／再結晶を行うことによって熱処理１１８を施すことができる。一般に、熱処理は、少なくとも約２４９℃（４８０°Ｆ）、特定の例では３５０℃（６６２°Ｆ）の温度で、約２時間焼きなまし／再結晶を行うことを含むであろう。焼きなましの後、ターゲット素材は機械加工されてバッキングプレートなしで使用するための一体型銅（a monolithic copper）または銅合金ターゲットが製造される。熱処理は再結晶をもたらす。前の多段階処理の結果、再結晶は本質的に粗粒子をもたらさず、一般に、一体型ターゲットの全体にわたって粗粒子の完全な除去をもたらす。

ターゲット材料が高純度の銅であれ銅合金であれ、また、一体型ターゲットが形成されようとターゲットアセンブリが形成されようと、図２に示されたような方法を利用して製造されたターゲットは一貫して１０％未満の標準偏差（１−σ）をもつ５０マイクロメートル未満の平均粒度を有する。特定の例では、標準偏差は５％未満である（１−σ）。

図３を参照すると、従来の方法によって製造されたターゲット素材（図３Ａ；パネルＡ）と本発明による方法によって製造されたターゲット素材（図３Ｂ；パネルＢ）との比較が示されている。パネルＡ（図３Ａ）に示された従来のターゲット素材は、１００〜２００マイクロメートルを超える大きさの粒子を有する粗粒子領域に対応する明白な粗い／光る領域を有している。対照的に、本発明の方法に従って製造されたパネルＢ（図３Ｂ）に示されたターゲット素材は、いかなるそのような粗い／光る領域も顕著に有しておらず、実際に粗粒子領域が存在しない。

本発明による特定の材料の処理が以下に実施例でさらに説明される。実施例は本発明をいかなる特定の材料組成、処理温度、または条件にも限定するものではなく、本発明の処理の有効性を示すために記載されることを理解されたい。

実施例１
１５ｃｍ（６インチ）直径×２５ｃｍ（１０インチ）高さの鋳放し銅合金ビレットを５６６℃（１０５０°Ｆ）で６０分間加熱した。次に、ビレットは、１５ｃｍ（６．０インチ）の第１のブロック高さまで熱間鍛造を施された。ブロックは冷水に入れて８分より長い間焼き入れされた。焼き入れされたブロックは、５６６℃（１０５０°Ｆ）で３０分間再加熱され、続いて８．４ｃｍ（３．３インチ）の第２の高さが得られるまで熱間鍛造が行われた。２回鍛造されたブロックは、８分を超える間水に入れて焼き入れされた。次に、得られた鍛造ブロックは２．４ｃｍ（０．９３インチ）の最終厚さまで冷間圧延された。圧延された素材は機械加工され清浄化され、続いて３５０℃（６６２°Ｆ）で２時間熱間静水圧圧縮によってＣｕＣｒバッキングプレートに接合された。得られたターゲット／バッキングプレートアセンブリは、完成した銅合金ターゲットアセンブリに機械加工された。最終ターゲットは、５％未満の標準偏差（１−σ）および５０マイクロメートル未満の平均粒度をもつ均一な粒度分布を有していた。

実施例２
圧延銅合金素材を実施例１で前述したように準備した。圧延合金素材は、３５０℃（６６２°Ｆ）で２時間熱処理によって焼きなまされた。得られたターゲット素材は機械加工されて一体型銅合金ターゲットが製造され、それは結果として５０マイクロメートル未満の粒度平均と、ターゲットの全体にわたって５％未満の標準偏差（１−σ）を有する均一な粒度分布とを有していた。

実施例３
高純度（重量で９９．９９９９％）銅鋳放しビレットが、実施例１で説明されたように２つの繰返しの加熱、熱間鍛造、水焼入れ、それに続く冷間圧延を施された。圧延銅素材は機械加工され清浄化され、３５０℃（６６２°Ｆ）で２時間熱間静水圧圧縮を利用してＣｕＣｒバッキングプレートに接合された。接合の後、アセンブリは機械加工されて完成した銅ターゲットアセンブリが形成された。得られた接合強度は１４０６ｋｇ／ｃｍ^２（２０ｋｓｉ）を超えていた。ターゲットは、５０マイクロメートル未満の平均粒度および５％未満の粒度分布標準偏差（１−σ）を有していた。

実施例４
圧延高純度銅素材を実施例３で説明したように製造した。素材は３５０℃（６６２°Ｆ）で２時間加熱によって焼きなましを施された。ターゲット素材は続いて機械加工されて一体型ターゲットが製造された。一体型ターゲットは、５０マイクロメートル未満の平均粒度および５％未満の粒度分布均一性（１−σ）を有していた。

上記実施例で製造された４つのターゲットの各々に関して、ターゲットの全体にわたって、ターゲットは粗粒子領域を有していなかった。従来技術のターゲットと比較して本発明のターゲットの粒度に関する調査の成果が表１に示される。本発明に従って製造された銅−アルミニウム合金ターゲットで得られた粒度が、従来の処理を利用して準備された同一組成のターゲット（横列の１つ目および２つ目）と比較して、表の横列の３つ目および４つ目に示されている。

追加の粒度測定が、本発明の多段階処理されたターゲットについて行われた。４つの別個に形成された銅−アルミニウム合金ターゲットに対する結果が表２に示されている。粒度測定は、多数のターゲットレベル（表面、０．７６ｃｍ（０．３インチ）厚さ、および１．５ｃｍ（０．６インチ）厚さ）で行われ、９つのサンプルがレベル当たりで調査された。レベル当たりおよびターゲット全体ごとの標準偏差が明記されている。

［本発明の態様］
１．銅材料を含む物理蒸着ターゲットであって、
５０マイクロメートル未満の平均粒度を有し、
前記ターゲットの全体にわたって粗粒子領域が存在しない、
前記ターゲット。
２．前記ターゲットの全体にわたる粒度標準偏差（１−σ）が１０％未満である、１に記載のターゲット。
３．前記ターゲットの全体にわたる粒度標準偏差（１−σ）が５％未満である、１に記載のターゲット。
４．前記ターゲットが拡散接合されたターゲットであり、前記拡散接合が１４０６ｋｇ／ｃｍ^２（２０ｋｓｉ）以上の接合強度を有する、１に記載のターゲット。
５．前記ターゲットが一体型である、１に記載のターゲット。
６．前記銅材料が、重量で９９．９９９９％以上の銅の純度を有する高純度銅である、１に記載のターゲット。
７．前記銅材料が銅合金である、１に記載のターゲット。
８．前記銅合金が、銅と、Ａｇ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｓｎ、およびＴｉからなる群から選択された１つまたは複数の元素とを含む、７に記載のターゲット。
９．銅材料を含む物理蒸着ターゲットであって、
５０マイクロメートル未満の平均粒度を有し、
前記ターゲットの全体にわたって５％未満の粒度標準偏差（１−σ）を有し、
前記銅材料が、銅合金および重量で９９．９９９％以上の銅を含む高純度銅材料からなる群から選択される、
前記ターゲット。
１０．銅の物理蒸着ターゲットを形成する方法であって、
鋳放し銅材料を準備するステップ；
前記鋳放し銅材料の多段階処理を行うステップであって、各段階が、加熱、熱間鍛造、および水焼入れを含むステップ；および
前記多段階処理の後、ターゲット素材を製造するために前記銅材料を圧延するステップ；
を含む、前記方法。
１１．前記ターゲット素材を焼きなますステップをさらに含む、１０に記載の方法。
１２．前記焼きなますステップが少なくとも約２４９℃（４８０°Ｆ）の温度で行われる、１１に記載の方法。
１３．１４０６ｋｇ／ｃｍ^２（２０ｋｓｉ）以上の接合強度を有する拡散接合を形成するために前記素材をバッキングプレートに熱間静水圧圧縮するステップをさらに含む、１０に記載の方法。
１４．前記静水圧圧縮するステップが約３５０℃（６６２°Ｆ）の温度で約２時間行われる、１３に記載の方法。
１５．一体型ターゲットを製造するために前記ターゲット素材を機械加工するステップをさらに含む、１０に記載の方法。
１６．前記銅材料が、重量で９９．９９９９％以上の銅の純度を有する高純度銅である、１０に記載の方法。
１７．前記銅材料が銅合金である、１０に記載の方法。
１８．前記銅合金が、銅と、Ａｇ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｓｎ、およびＴｉからなる群から選択された１つまたは複数の元素とを含む、１７に記載の方法。
１９．前記多段階処理が、
第１の加熱を含む第１の段階であって、前記銅材料が４８２℃（９００°Ｆ）以上の温度で加熱される前記第１の段階と、
第２の加熱を含む第２の段階であって、前記銅材料が４８２℃（９００°Ｆ）以上の温度で少なくとも３０分間加熱される前記第２の段階とを含む、
１０に記載の方法。

例示的な物理蒸着装置の一部の概略図である。 本発明の一態様による方法を略述する流れ図である。 従来の方法を利用して製造されたターゲット素材の粒子構造（図３Ａ；パネルＡ）と本発明による方法を利用して製造されたターゲット素材の粒子構造（図３Ｂ；パネルＢ）との比較を示す図である。

Claims (3)

1. 銅の物理蒸着ターゲットを形成する方法であって、
   鋳放し銅材料を準備するステップ；
   前記鋳放し銅材料の多段階処理を行うステップであって、各段階が、加熱操作、熱間鍛造操作、および水焼入れ操作を含み、そして、該多段階処理が少なくとも２つの段階を含み、該多段階処理の少なくとも２回の加熱操作が約４８２℃（９００°Ｆ）より高い温度で行われるステップ；
   ターゲット素材を製造するために前記銅材料を圧延するステップ；および
   該ターゲット素材を焼きなましするステップ；
   を含む方法であり、該ターゲット素材が５０マイクロメートル未満の平均粒度を有する方法。
2. 請求項１記載の方法であって、該焼きなましが少なくとも約２４９℃（４８０°Ｆ）の温度で行われる方法。
3. 請求項１記載の方法であって、該銅材料が重量で９９．９９９９％の銅に等しいかまたはそれより高い純度を有する方法。

Images