(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素を７０ｐｐｍ〜５００ｐｐｍの範囲で含むチタンおよび不可避的不純物からなるスパッタリングターゲットであって、酸素含有量が２５０ｐｐｍ以下、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｒの各元素の含有量がそれぞれ１０ｐｐｍ以下、ＮａおよびＫの各元素の含有量がそれぞれ０．１ｐｐｍ以下、かつ平均結晶粒径が１００μｍ以下の再結晶組織を有することを特徴とするスパッタリングターゲット。
【請求項２】
請求項１記載のスパッタリングターゲットを用いて、スパッタ成膜してなることを特徴とする配線膜。
【請求項３】
請求項２記載の配線膜において、前記配線膜はＴｉ膜またはＴｉを含む化合物膜からなることを特徴とする配線膜。
【請求項４】
請求項３記載の配線膜において、前記Ｔｉを含む化合物膜はＴｉの窒化物膜であることを特徴とする配線膜。
【請求項５】
請求項２ないし請求項４のいずれか１項記載の配線膜を具備することを特徴とする電子部品。
【請求項６】
請求項５記載の電子部品において、前記電子部品は半導体素子であることを特徴とする電子部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の電極、コンタクト部、バリア層などを形成する際に用いられるスパッタリングターゲットとそれを用いて形成した配線膜および電子部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のＬＳＩの高集積化は著しく、これに伴い配線幅は微細化する傾向にある。また、配線層として用いられているＡｌ膜とＳｉ基板との間は、両元素の反応拡散を防止する必要があり、そのために例えばＴｉＮからなる拡散防止層（バリア層）が使用されている。
【０００３】
ＴｉＮバリア層は電極の一部となるため、比抵抗ができるだけ低い材料で形成することが望まれている。このような電気特性を得るために、通常はＴｉターゲットを用いて、まずＡｒ雰囲気下でＴｉ薄膜を形成した、その上に窒素雰囲気下でＴｉターゲットをスパッタしてＴｉＮ薄膜を形成している。従って、拡散防止層はＳｉ／Ｔｉ／ＴｉＮの 3層構造となる。
【０００４】
上述した半導体素子のバリア層などとして用いられるＴｉＮ膜は、純Ｔｉターゲットを窒素ガス雰囲気中でスパッタリングする、いわゆる反応性スパッタ法により形成することが一般的であり、極めて小さい誤差で高速かつ経済的にＴｉＮ膜を堆積させる必要がある。半導体素子などの製造に適用される成膜プロセスにおいては、例えば膜の均一性および堆積速度を向上させることによって、製造コストを低減することができる。
【０００５】
ＴｉＮ膜の成膜などに用いられるＴｉターゲットを構成するＴｉ材は、高純度であることが重要である。このような高純度Ｔｉ材の製造方法としては、一般にＴｉＣｌ4 のようなＴｉ化合物をＮａ、Ｍｇのような活性金属で熱還元する方法で、クロール(Kroll) 法、ハンター(Hunter)法と呼ばれている方法や、例えばＫＣｌやＮａＣｌなどの塩を用いた溶融塩電解法などが採用されている。近年の金属の精製技術の進歩や製造工程の管理により、重金属などの不純物の混入は極力抑えられるようになってきた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記したような高純度のＴｉターゲットを使用して、反応性スパッタによりＴｉＮ膜を成膜する場合、その堆積速度が遅いことから、所望の膜厚のＴｉＮ膜を堆積させるためのスパッタリング時間（処理時間）が長くなり、量産化においては大きな問題となる。そこで、スパッタリング時の投入電力を大きくするなど、スパッタリング条件を調整することによって、スループットの向上が図られている。
【０００７】
しかしながら、スパッタリング時の投入電力を大きくした場合には、スパッタリングターゲットの表面温度が上昇することによって、冷却支持部材であるバッキングプレートを介した冷却が不十分となり、ターゲットおよび得られる薄膜の品質に悪影響を及ぼすという問題が生じる。すなわち、ターゲットの表面温度が上昇することにより結晶粒が粗大化する。ターゲットの結晶粒や結晶方位が変化すると、スパッタ粒子の飛翔量がターゲットの場所により変動し、その結果として薄膜の膜厚が不均一となると共に、膜特性にバラツキが生じる。このような問題はＴｉのように熱伝導率が低い材料ほど顕著である。
【０００８】
また、最近ではコンタクト部の溝深さが増大し、高アスペクト化する傾向にあり、このような部分に良好な膜を形成するために、ターゲットと基板との距離を長くしたロングスロースパッタ法などが採用されている。ロングスロースパッタ法などでは投入電力を増大させる必要があるため、スパッタリングの処理時間を短くすることが、すなわち堆積速度を向上させることが求められている。
【０００９】
本発明はこのような課題に対処するためになされたものであって、投入電力の増大などのスパッタリング条件の調整を行うことなく、堆積速度を向上させることによって、スパッタリングの処理時間を短くすることができ、かつターゲットの結晶粒や結晶方位などの変動による膜特性の劣化などを抑制することを可能にしたスパッタリングターゲットを提供することを目的としており、またそのようなスパッタリングターゲットを用いることによって、高品質で高スループットを実現した配線膜、およびそのような配線膜を用いた電子部品を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上述した目的を達成するために、Ｔｉターゲットを用いてスパッタリングする際の堆積速度について検討を進めた結果、使用するＴｉターゲットが適量の微量の窒素を含有することによって、Ｔｉ膜やＴｉＮ膜などのＴｉを含む化合物膜の堆積速度を向上させることが可能であることを見出した。またその際、Ｔｉターゲット中の不純物元素としての酸素量を低減することによって、より一層堆積速度が向上することを見出した。
【００１１】
本発明はこのような知見に基づいてなされたもので、本発明のスパッタリングターゲットは請求項１に記載したように、窒素を７０ｐｐｍ〜５００ｐｐｍの範囲で含むチタンおよび不可避的不純物からなるスパッタリングターゲットであって、酸素含有量が２５０ｐｐｍ以下、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｒの各元素の含有量がそれぞれ１０ｐｐｍ以下、ＮａおよびＫの各元素の含有量がそれぞれ０．１ｐｐｍ以下、かつ平均結晶粒径が１００μｍ以下の再結晶組織を有することを特徴としている。
【００１３】
本発明の配線膜は、請求項２に記載したように、上記した本発明のスパッタリングターゲットを用いて、スパッタ成膜してなることを特徴としている。本発明の配線膜は請求項３に記載したように、例えばＴｉ膜やＴｉを含む化合物膜からなるものである。特に、請求項４に記載したように、本発明はＴｉの窒化物膜を形成する際に好適である。
【００１４】
また、本発明の電子部品は、請求項５に記載したように、上記した本発明の配線膜を具備することを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
【００１６】
本発明のスパッタリングターゲットは、窒素（Ｎ）を７０ｐｐｍ〜５００ｐｐｍ（重量ｐｐｍ）の範囲で含むチタン（Ｔｉ）および不可避的不純物からなるものである。このように、Ｔｉターゲット中に微量の窒素を導入することによって、そのようなＴｉターゲットを用いてスパッタ成膜した際の堆積速度を大幅に向上させることが可能となる。
【００１７】
本発明のスパッタリングターゲット（Ｔｉターゲット）における窒素含有量は、上記したように７０ｐｐｍ〜５００ｐｐｍの範囲とする。窒素含有量が７０ｐｐｍ未満であると、上記したような堆積速度の向上効果をほとんど得ることができず、一方窒素含有量が５００ｐｐｍを超えると粉末冶金法での製造が好ましくなり、ターゲットが焼結体となるため、密度の低下、不純物の増加などの影響により、得られる膜特性が低下する。Ｔｉターゲット中の窒素量は７５ｐｐｍ〜２００ｐｐｍの範囲とすることがさらに好ましい。
【００１８】
上述したような窒素含有量の制御に基づく堆積速度（成膜速度）の向上効果は、本発明のスパッタリングターゲット（Ｔｉターゲット）を用いた種々のスパッタ成膜に対して有効である。例えば、本発明のＴｉターゲットを用いてＡｒ雰囲気下などでＴｉ薄膜を成膜する場合、および窒素雰囲気下で本発明のＴｉターゲットをスパッタ（反応性スパッタ）してＴｉＮ薄膜を成膜する場合のいずれにおいても、堆積速度を向上させることができる。
【００１９】
これらのうち、ＴｉＮ膜などのＴｉの化合物膜を反応性スパッタにより成膜する場合、従来のＴｉターゲットでは投入電力などのスパッタリング条件を変更することなく、堆積速度を高めることが非常に困難であったことから、本発明のスパッタリングターゲットによる堆積速度の向上は特に効果的である。このように、本発明のスパッタリングターゲットは、反応性スパッタによるＴｉの化合物膜、特にＴｉＮ膜の成膜に対して有効である。
【００２０】
本発明のスパッタリングターゲットは、窒素含有量を７０ｐｐｍ〜５００ｐｐｍの範囲に制御したことを基本とするものであるが、窒素以外の元素（不純物元素）については極力低減することが好ましい。特に、酸素含有量を２５０ｐｐｍ以下とした場合、上記した窒素含有量の制御との相乗効果によって、より一層薄膜の堆積速度を向上させることができる。Ｔｉターゲット中の酸素含有量は、さらに１００ｐｐｍ以下とすることが望ましい。酸素は得られる薄膜（Ｔｉ膜やＴｉＮ膜など）の比抵抗などを低減するためにも２５０ｐｐｍ以下、さらには１００ｐｐｍ以下とすることが望ましい。
【００２１】
Ｔｉターゲット中の酸素以外の不純物元素についても、同様に低減することが好ましい。具体的には、形成された薄膜（Ｔｉ膜やＴｉＮ膜など）の界面接合におけるリーク現象の原因などとなるＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒのような重金属の含有量は、それぞれ10ppm 以下とすることが好ましい。また、例えばＳｉ中を容易に遊動して素子特性などを劣化させるＮａ、Ｋのようなアルカリ金属の含有量は、それぞれ 0.1ppm 以下とすることが好ましい。さらに、放射線エラーなどを引き起こすＵおよびＴｈの含有量はいずれも0.001ppm以下とすることが好ましい。
【００２２】
本発明のスパッタリングターゲットは、さらに平均結晶粒径が 100μm 以下の再結晶組織を有することが好ましい。このような再結晶組織を有することによって、スパッタ処理におけるターゲット自身の反りを抑えると共に、品質的に均一な薄膜を得ることができる。
【００２３】
上述したような本発明のスパッタリングターゲットは、ヨウ化物分解法によるＴｉ材、溶融塩電解法によるＴｉ材、クロール法によるＴｉ材などの各種のＴｉ材を、例えば電子ビーム溶解（ＥＢ溶解）により精製した高純度Ｔｉ材を用いて作製される。この際、例えば原料Ｔｉ中に窒素を導入したり、あるいはＥＢ溶解を窒素含有雰囲気中で実施するなどによって、高純度Ｔｉ材中の窒素含有量を７０ｐｐｍ〜５００ｐｐｍの範囲に制御する。また、Ｔｉインゴットを通常の溶解法により精製する場合には、窒素によるバブリングなども有効である。
【００２４】
そして、上記したような高純度Ｔｉ材を再汚染を防止しつつ、任意の形状に冷間加工する。次いで、必要に応じて 400〜 600℃程度の温度で熱処理する。このような熱処理を施すことによって、平均結晶粒径が 100μm 以下の再結晶組織が得られる。この後、機械加工により所定のターゲット形状とすることによって、本発明のスパッタリングターゲットが得られる。
【００２５】
上述したように、本発明のスパッタリングターゲットによれば、投入電力の増大などのスパッタリング条件の調整を行うことなく、堆積速度を向上させることができるため、従来の堆積速度の向上策のように、ターゲットの結晶粒や結晶方位の変動による膜特性の劣化などを招くことがない。すなわち、高品質のＴｉ膜やＴｉＮ膜などを効率よく、すなわち高スループットで形成することができ、製造コストおよび製造工数を大幅に低減することが可能となる。また、投入電力を増大せざるを得ないロングスロースパッタなどにおいては、スパッタリングの処理時間を短縮できることから、ターゲットの表面温度上昇などに基づく悪影響を最小限に抑えることができる。
【００２６】
本発明の配線膜は、前述した本発明のスパッタリングターゲットを用いてスパッタ成膜してなるＴｉ膜、あるいはＴｉＮ膜のようなＴｉの化合物膜を具備するものである。ＴｉＮ膜は半導体素子のバリア層として、またＴｉ膜は電極やコンタクト部などとして好適である。
【００２７】
このような本発明の配線膜は、半導体素子に代表される各種の電子部品に使用することができる。具体的には、本発明の配線膜を用いたＵＬＳＩやＶＬＳＩなどの半導体素子、さらにはＳＡＷデバイスやＴＰＨなどの電子部品が挙げられる。本発明の電子部品はこのような半導体素子、ＳＡＷデバイス、ＴＰＨなどを含むものである。
【００２８】
【実施例】
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。
【００２９】
実施例１
まず、チアン化合物である四ヨウ化チタン（ＴｉＩ4 ）をアイオダイド法を用いて熱分解し、このアイオダイド法により得られたクリスタルＴｉをさらにＥＢ溶解することによって、Ｔｉインゴットを作製した。
【００３０】
次に、上記したＴｉインゴットを加工率 80%で鍛造、圧延加工して平板状とした後、 450℃で加熱処理を行い、さらに機械研削加工を施すことによって、直径 250mm、厚さ15mmの高純度Ｔｉスパッタリングターゲットを作製した。このＴｉターゲットの化学分析を行ったところ、窒素含有量は70ppm であった。他の元素の分析結果を併せて表１に示す。
【００３１】
また、本発明との比較例として、Ｋ2 ＴｉＦ6 を溶融塩電解して得られたＴｉ材を、 2×10-3Pa以下の高真空下でＥＢ溶解することによって、Ｔｉインゴット（比較例１）を作製した。さらに、四塩化チタン（ＴｉＣｌ4 ）をマグネシウムで還元して得られたスポンジＴｉ、すなわちクロール法により作製されたＴｉ材をＥＢ溶解して、Ｔｉインゴット（比較例２）を作製した。
【００３２】
これら比較例１、２によるＴｉインゴットをそれぞれ用いて、実施例１と同様にして高純度Ｔｉスパッタリングターゲットを作製した。こられＴｉターゲットの化学分析結果を表１併せて示す。
【００３３】
次に、上記した実施例１および比較例１、２による各Ｔｉターゲットを用いて、ガス流量比Ｎ2 ／Ａｒ＝ 1／1 のガス雰囲気中にて、出力0.5kW の条件でＴｉＮ膜をそれぞれ成膜した。設定膜厚を 100nmとした際のＴｉＮ膜の堆積速度を測定、評価した。その結果を表１に併せて示す。
【００３４】
【表１】
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表１から明らかなように、窒素を適正量含有させた本発明のＴｉターゲットによれば、他の不純物元素と同様に窒素量についても低減されている比較例１、２のＴｉターゲットに比べて、ＴｉＮ膜の堆積速度を向上させることができる。
【００３５】
実施例２
上記した実施例１において、窒素ガスの雰囲気圧力の条件を変えることによって、窒素含有量を変化させた複数のＴｉターゲットを作製した。なお、窒素含有量以外については、ほぼ実施例１の元素含有量と同等であった。このような複数のＴｉターゲットを用いて、実施例１と同様にして、ＴｉＮ膜の堆積速度を評価した。その結果を表２に示す。
【００３６】
【表２】
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実施例３
上記した実施例１において、溶解原料中の酸素濃度の条件を変えることによって、酸素含有量を変化させた複数のＴｉターゲットを作製した。なお、酸素含有量以外については、ほぼ実施例１の元素含有量と同等であり、窒素含有量はそれぞれ約70ppm であった。このような複数のＴｉターゲットを用いて、実施例１と同様にしてＴｉＮ膜の堆積速度を評価した。その結果を表３に示す。
【００３７】
【表３】
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表３から明らかなように、窒素を適正量含有させたＴｉターゲットの酸素含有量を低減することによって、さらにＴｉＮ膜の堆積速度を向上させることができることが分かる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のスパッタリングターゲットによれば、膜特性などを劣化させることなく、Ｔｉ膜やＴｉ化合物膜などの堆積速度を大幅に向上させることが可能となる。従って、そのようなスパッタリングターゲットを用いることによって、高品質で高スループットの配線膜を提供することができ、各種電子部品の性能や信頼性の向上、および製造コストの低減に大きく寄与する。
【００３９】