專利名稱：脆性金屬合金濺射靶及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開內(nèi)容一般涉及用于濺射沉積工藝過程的靶及其制造方 法。具體而言，本公開內(nèi)容涉及由周期表第Vin族金屬和第IVB、 VB 和VIB族難熔金屬的脆性金屬合金構(gòu)成的靶，尤其是由Ru-Ta合金構(gòu) 成的靶。
背景技術(shù)：
鑒于銅(Cu)和Cu-基合金具有很低的電阻率、相對高的電遷 移阻力和低成本，它們經(jīng)常被用于制造這樣的集成電路半導體器件一 一這些半導體器件要求復(fù)雜的金屬化系統(tǒng)以用于對器件位于其上的半 導體晶片進行工藝后段(back-end of line)加工。雖然Cu和Cu-基合 金作為目前的優(yōu)選材料用于形成先進集成電路的電連接，但它們存在 幾個缺點，可能使其應(yīng)用存在問題。具體地說，Cu和Cu-基合金不能很好地粘附到通常作為層間絕 緣層(ILD)的氧化物材料上；它們可能擴散進入相鄰絕緣層，造成絕 緣性能的喪失和形成導致短路的不期望電路；以及，氧原子從相鄰絕 緣層擴散進入Cu或者Cu-基合金層可能導致導電性的損失。為了減少 Qi-基金屬化方案的至少一些這些缺點， 一般將Ta/TaN雙層插入到氧 化物基絕緣層和Cu-基金屬化層之間，TaN作為阻擋層阻止擴散，而 Ta層作為Cu-基金屬化層的粘著層，Cu-基金屬化層一般通過電鍍工藝 在其上形成。在實踐中，在電鍍前需要在Ta粘著層上通過物理氣相沉 積(PVD)工藝，如濺射，形成薄的Cu或者Cu-基種子層。然而，鑒 于被金屬化器件的復(fù)雜表面狀況，獲得具有良好連續(xù)性的Cu種子層通 常是困難的。釕(Ru)已經(jīng)被建議作為可能的替代物替代傳統(tǒng)上應(yīng)用在Cu
基金屬化工藝中的Ta粘著層和Cu種子層。鑒于Ru的幾種優(yōu)異的性能 /特征，同傳統(tǒng)的金屬化方法相比，Ru的使用提供幾個潛在的優(yōu)點。 具體說，Ru: (1)不容易氧化，并且即使發(fā)生氧化，氧化物是導電的， 因此減輕了氧化后導電性的損失；和(2)它粘著TaN和Cu，因此提 供了其作為種子層和電鍍層使用的可能性。濺射沉積是一項有吸引力的技術(shù)，其用于形成半導體集成電路 器件的工藝后段金屬化所需要的具有良好表面覆蓋度的薄膜。然而， 不利的是，在金屬化工藝中潛在有用的許多金屬合金，尤其是Ru及其 合金的脆性阻止了合金基濺射靶的開發(fā)，尤其阻止了以生產(chǎn)規(guī)模、成 本有效的方式進行目前所用大直徑半導體晶片的金屬化工藝所需的大 直徑靶的發(fā)展。鑒于上述，存在著對這樣的脆性金屬合金基濺射靶，特別是Ru 合金基濺射靶及其制造方法的明顯需求，尤其是適合用于以生產(chǎn)規(guī)模、 成本有效的方式進行大直徑半導體晶片的金屬化工藝的大直徑靶。而 且，存在著對包括脆性金屬合金如RuTa合金的濺射靶的一般需求，以 用于半導體器件制造加工等工藝中，脆性金屬即周期表第VIII族的貴 金屬(precious and noble Group VIII metals)和第IVB、 VB和VIB族 的難熔金屬。 —

發(fā)明內(nèi)容
本公開內(nèi)容的優(yōu)點是制造脆性金屬合金濺射靶的改進方法。
本公開內(nèi)容的另一個優(yōu)點是制造脆性Ru-Ta合金濺射靶的改進 方法。本公開內(nèi)容的進一步優(yōu)點是根據(jù)本公開內(nèi)容的改進方法制造的 改進的脆性金屬合金和Ru-Ta合金濺射靶。本公開內(nèi)容的又一個優(yōu)點是改進的脆性金屬合金和Ru-Ta合金 濺射靶。本公開內(nèi)容的其它優(yōu)點和特征將在下面的公開內(nèi)容中提出，其 部分內(nèi)容對本領(lǐng)域的技術(shù)人員在審査了以下內(nèi)容后將會變得顯而易 見，或者可以從本公開內(nèi)容的實施中學到。如在所附的權(quán)利要求書中 所特別指出的那樣，所述優(yōu)點可以被實現(xiàn)和得到。
根據(jù)本公開內(nèi)容的方面，通過制造金屬合金濺射靶組件的改進
方法，部分實現(xiàn)上述和其它優(yōu)點，其包括步驟
(a) 提供選擇量的至少一種周期表第VIII族的貴金屬或者近貴金屬 粉末和至少一種選自周期表第IVB、 VB和VIB族的難熔金屬粉末；
(b) 混合/摻和選擇量的粉末以形成具有選擇的原子比例金屬的混合 /摻和粉末；
(c) 將混合/摻和的粉末形成密度增加的生坯(green compact);
(d) 從生坯形成全密度坯；
(e) 從所述全密度坯切割靶板切片；
(f) 將墊板(backing plate)擴散結(jié)合(diffusion bonding)到所述靶板切 片的表面以形成靶/墊板組件；和
(g) 機械加工靶/墊板組件至選擇的最終尺寸。根據(jù)本公開內(nèi)容的實施方式，步驟(a)包括提供選擇量的至少 一種選自釕(Ru)、銠(Rh)、鈀(Pd)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鋨(Os)、 銥(Ir)和鉑(Pt)的第VIII族金屬的粉末，和至少一種選自鉭(Ta)、 鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鈮(Nb)、鉬(Mo)和鎢(W)的第IVB、 VB或者VIB族難熔金屬的粉末。優(yōu)選地，步驟(a)包括提供選擇量的Ru和Ta的粉末；步驟(c) 包括冷等靜壓加工(CIP);步驟(d)包括熱等靜壓加工(HIP);步驟 (e)包括電火花加工(EDM);步驟(f)包括HIP;和步驟(g)包括 加工耙/墊板組件，使其直徑為大約17.5英寸。本公開內(nèi)容的另一方面是根據(jù)上述方法制造的改進的濺射靶組 件。本公開內(nèi)容的另一方面是制造Ru-Ta合金濺射靶組件的改進方 法，其包括步驟
(a) 混合/摻和選擇量的Ru和Ta粉末以形成具有選擇的Ru比 Ta原子比例的混合/摻和粉末；
(b) 將所述混合/摻和的粉末形成密度增加的生坯；
(c) 從所述生坯形成全密度坯；
(d) 從所述全密度坯切割靶板切片；
(e) 將墊板擴散結(jié)合到所述靶板切片的表面以形成靶/墊板組件； 和
(f)加工所述耙/墊板組件至選擇的最終尺寸。根據(jù)本公開內(nèi)容的優(yōu)選實施方式，步驟(a)包括形成Ru與Ta 的原子比例在大約95: 5到大約5: 95范圍的混合潛和的Ru/Ta粉末；
步驟(b)包括冷等靜壓加工(CIP );步驟(C)包括熱等靜壓加工(HIP);
步驟(d)包括電火花加工(EDM);和歩驟(e)包括HIP。
更優(yōu)選地，步驟(a)包括形成Ru與Ta的原子比例從大約90:10 到大約40:60的混合/摻和的Ru/Ta粉末；和步驟(e)包括擴散結(jié)合 CuZn墊板。本公開內(nèi)容的進一步優(yōu)選實施方式包括其中步驟(f)包括加工 所述靶/墊板組件，使其直徑為大約17.5英寸的那些實施方式。
本公開內(nèi)容的其它方面包括根據(jù)上述方法制造的改進的Ru-Ta 合金濺射耙組件。本公開內(nèi)容的另一方面是改進的Ru-Ta合金濺射靶組件，其包 括
(a) 耙板，其具有濺射表面并由至少一種來自周期表第VIII族的貴 或者近貴金屬和至少一種選自周期表第IVB、VB和VIB族的難熔金屬 構(gòu)成；和
(b) 墊板，其被擴散結(jié)合到與濺射表面相反的靶板表面上。
根據(jù)本公開內(nèi)容的實施方式，靶板包括至少一種選自釕(Ru)、 銠(Rh)、鈀(Pd)、鈷(Co)、鎳(NO、鋨(Os)、銥(Ir)和鉑(Pt) 的第VIII族金屬；和至少一種選自鉭(Ta)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、 鈮(Nb)、鉬(Mo)和鎢(W)的第IVB、 VB或者VIB族的難熔金 屬。優(yōu)選地，靶板包括Ru-Ta合金，該合金的Ru比Ta的原子比例 在大約95: 5到大約5:95范圍，更優(yōu)選地在從大約90:10到大約40:60 范圍；墊材包括CuZn;并且靶的直徑為大約17.5英寸。
根據(jù)以下詳述，本公開內(nèi)容的其它優(yōu)點對本領(lǐng)域的技術(shù)人員將 變得顯而易見，其中展示和描述的只有本公開內(nèi)容的優(yōu)選實施方式， 僅為了說明預(yù)期用于實現(xiàn)本公共內(nèi)容的最佳方式。如將要認識到的， 本公開內(nèi)容能夠?qū)崿F(xiàn)其它和不同的實施方式，它的數(shù)個細節(jié)在各種明
顯的方面能夠被修改，所有這些都不偏離本發(fā)明的精神。相應(yīng)地，附 圖和描述將被認為在本質(zhì)上是說明性的，而不是限定性的。
具體實施例方式本公開內(nèi)容專注于和有效地解決了，或者至少減輕了在制造包 含脆性金屬合金，尤其是Ru及其合金如Ru-Ta合金的濺射耙中的困難， 合金的脆性迄今阻止了以生產(chǎn)規(guī)模、成本有效的方式進行目前所用大 直徑半導體晶片的金屬化工藝所需的大直徑靶的發(fā)展。
簡述之，根據(jù)本公開內(nèi)容，提供了粉末固結(jié)和擴散結(jié)合的特別 工藝，用于制造包含脆性金屬合金，如Ru-Ta合金的濺射靶，并且其 涉及冷和熱等靜壓加工、靶板切片、靶化學蝕刻、擴散結(jié)合和最后加 工。如在此所用，根據(jù)舊CAS周期表分類符號，采用了有時被稱為 "第VIIIB族金屬"的術(shù)語"第VIII族金屬"，例如，在版權(quán)為1968 年的Sargent-Welch Scientific Co.的元素周期表中所給出，其被用來描 述周期表第8、 9和10族的金屬元素，不包括鐵(Fe)但包括釕(Ru)、 銠(Rh)、鈀(Pd)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鋨(Os)、銥(Ir)和鉑(Pt); 而術(shù)語"第IVB族金屬"、"第VB族金屬"和"第VIB族金屬"(每個 術(shù)語也根據(jù)舊CAS周期表分類符號被采用)被用來描述包括鉭(Ta)、 鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鈮(Nb)、鉬(Mo)和鉤(W)的難熔 金屬元素及其組合。盡管本公開內(nèi)容所述的方法對制造各種方式的包含周期表中第 VIII族金屬和第IVB、 VB和VIB族難熔金屬的合金的靶一般是有用的， 但鑒于Ru和Ta的合金在利用Cu基金屬化制造半導體集成電路器件中 的上述有利應(yīng)用，在此所述的方法對制造由這樣的合金構(gòu)成的靶特別 有用。本公開內(nèi)容所考慮的合金靶也可以被用于制造數(shù)據(jù)存貯器件， 如磁盤等。因此，以下描述形成Ru-Ta合金濺射靶的公開內(nèi)容被看作 是其本質(zhì)是說明性的，而不是限定性的。根據(jù)本公開內(nèi)容，在制造Ru-Ta合金靶的說明性而非限定性的 ,工藝的初始步驟中，純Ru和Ta細粉的網(wǎng)目尺寸在從大約50到大約 500的范圍，優(yōu)選大約325，它們是例如通過Turbula混合器或者V型混合器被緊密地混合/摻和在一起的。Ru-Ta粉末的相對含量決定了最 終形成的合金中Ru比Ta的原子比例，該比例可在大約95:5到大約 5:95之間，優(yōu)選在大約90:10到大約40:60之間變化，最優(yōu)選的比例為 大約50:50。接著，使Ru和Ta粉末的混合物/摻和物經(jīng)過冷等靜壓加工(CIP) 以形成板狀的、具有增加密度為從大約7到約12 g/cr^的生坯，所述 冷等靜壓加工溫度介于大約10到大約80 'C之間，優(yōu)選為大約25 °C， 壓力為從大約10到大約60 ksi，優(yōu)選為大約30 ksi，處理時間為大約2 到大約60min，優(yōu)選為約20min。在根據(jù)本公開內(nèi)容的下一步驟中，加工生坯板的表面以除去任 何高的點或面，以減少在隨后的熱等靜壓加工(HIP)程中裂化的可能 性。接著，用結(jié)構(gòu)合適的、內(nèi)壁涂敷脫模劑層如氧化鋁(A1203)的 罐，例如低碳鋼(LCS)罐頭，將加工的Ru-Ta生坯板罐裝。將剛性板， 如足夠厚度(如大約1〃)鋼的剛性板，置于生坯板的各個面上，與生
坯板接觸的各板表面也被涂敷了作為脫模劑的Al203層。后者起到阻止
板在HIP過程中的裂化和維持Ru-Ta板在HIP后平整的作用。
根據(jù)本方法的下一步中，罐裝的組件經(jīng)過HIP處理以提供基本 全密度(~ 12.93 g/cm3)的、顆粒大小從約5到約50 pm，優(yōu)選小于約 10 nm的Ru-Ta坯，處理溫度在大約1000到大約1600'C之間，優(yōu)選大 約1200。C，處理壓力為大約10到大約40ksi，優(yōu)選大約30ksi，處理 時間為大約1到大約5hrs，優(yōu)選大約2hrs。根據(jù)本公開內(nèi)容的說明性 而非限定性的實施方式，使Ru-Ta生坯板在介于約1200到約140(TC之 間的溫度和約29 ksi的壓力下進行HIP處理約2 hrs。
硬、脆性金屬材料不能用傳統(tǒng)的技術(shù)加工，通過借助適合于硬、 脆性金屬材料的技術(shù)如電火花加工(EDM)，將這些Ru-Ta致密板從罐 中取出并切成約0.1到約1英寸厚、優(yōu)選約0.25英寸厚的切片。
接著，例如用數(shù)字控制的液壓表面磨床將Ru-Ta切片表面磨光， 使表面光潔度達到Ra為~ 32 pin.或者更好。然后加工Ru-Ta切片和合 適的墊板，例如約0.5至約2英寸厚的CuZn板，為擴散結(jié)合做準備， 以提供具有Ra為 32 pin.或者更好表面光潔度的匹配表面，隨后用酸 和堿溶液如硝酸(HN03)和氫氧化鈉(NaOH)進行化學清潔/蝕刻處 理，以除去任何表面污染物。通過這樣的罐裝過程，實現(xiàn)Ru-Ta靶切片和CuZn墊板的擴散 結(jié)合——其中靶切片和墊板的組件連同一對LCS板被放在涂敷合適脫 模劑如A1203的LCS罐中。LCS板的功能是阻止Ru-Ta切片在擴散結(jié) 合后的弧狀彎曲和/或裂化。擴散結(jié)合工藝包括在介于大約600和大約 900'C之間，優(yōu)選大約800 。C的溫度，在大約10到大約30 ksi，優(yōu)選 大約15 ksi的壓力下進行罐裝組件的HIP處理，大約1到大約5 hrs， 優(yōu)選大約2 hrs,以提供擴散結(jié)合的Ru-Ta/CuZn組件，其中Ru-Ta靶和 CuZn墊板之間的剪應(yīng)力為大約10到大約20ksi。根據(jù)本公開內(nèi)容的說 明性但非限定性的實施方式，在大約800 。C的溫度和大約15 ksi的壓 力下使Ru-Ta耙切片和CuZn墊板的組件進行HIP處理大約2 hrs。靶 和墊板之間形成的剪應(yīng)力大約是12 ksi。擴散結(jié)合之后，將靶/墊板組 件從罐中移出并將其加工到最終的尺寸?？傊痉椒ㄌ峁┑膬?yōu)點包括制造擴散結(jié)合的濺射靶的能力， 所述濺射靶由脆性金屬合金構(gòu)成，例如Ru-Ta合金，其具有很寬的直 徑，如大約17.5英寸級別，適合用于半導體相關(guān)的應(yīng)用。而且，本方 法適合于制造由各種脆性金屬合金構(gòu)成的、在許多應(yīng)用中有用的濺射 耙，這些應(yīng)用例如磁性數(shù)據(jù)存貯介質(zhì)，如磁盤。在上述中，為了對本公開內(nèi)容提供更好的理解，提出了許多具 體的細節(jié)，如具體的材料、結(jié)構(gòu)和工藝等。然而，不借助于具體提出 的細節(jié)也可以實現(xiàn)本公開內(nèi)容。在其它情況中，為了不必要地造成本 公開內(nèi)容不清楚，沒有對公知的工藝材料和技術(shù)進行詳述。
本公開內(nèi)容中僅僅顯示和描述了其優(yōu)選的實施方式和幾個具有 通用性的實施例。應(yīng)理解，本公開內(nèi)容能夠用于各種其它結(jié)合和環(huán)境， 并且在如本文表達的、公開的構(gòu)思范圍內(nèi)，容易進行改變和/或修改。
權(quán)利要求
1.制造金屬合金濺射靶組件的方法，其包括步驟(a)提供選擇量的至少一種來自周期表第VIII族貴金屬或者近貴金屬的粉末和至少一種選自周期表第IVB、VB和VIB族的難熔金屬的粉末；(b)混合/摻和所述選擇量的粉末，以形成具有選擇原子比例的金屬的混合/摻和粉末；(c)將所述混合/摻和粉末形成密度增加的生坯；(d)從所述生坯形成全密度坯；(e)從所述全密度坯切割靶板切片；(f)將墊板擴散結(jié)合到所述靶板切片的表面，以形成靶/墊板組件；和(g)加工所述靶/墊板組件至所選擇的最終尺寸。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中步驟(a)包括提供選擇量的至少一種選自釕(Ru)、銠(Rh)、鈀 (Pd)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鋨(Os)、銥(Ir)和鉑(Pt)的第VIII 族金屬的粉末，和至少一種選自鉭(Ta)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、 鈮(Nb)、鉬(Mo)和鉤(W)的第IVB、 VB或者VIB族難熔金屬 的粉末。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中步驟(a)包括提供選擇量的Ru和Ta粉末。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中 步驟(c)包括冷等靜壓加工(CIP)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中 步驟(d)包括熱等靜壓加工(HIP)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中步驟(e)包括電火花加工(EDM)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中 步驟(f)包括HIP。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中步驟(g)包括加工所述靶/墊板組件，使其直徑為大約17.5英寸。
9. 濺射靶組件，其根據(jù)權(quán)利要求1的方法制造。
10. 制造Ru-Ta合金濺射靶組件的方法，其包括步驟(a) 混合/摻和選擇量的Ru和Ta粉末，以形成具有選擇的Ru比 Ta原子比例的混合/摻和粉末；(b) 將所述混合/摻和粉末形成密度增加的生坯；(c) 從所述生坯形成全密度坯；(d) 從所述全密度坯切割靶板切片；(e) 將墊板擴散結(jié)合到所述靶板切片的表面，以形成靶/墊板組件；禾口(f) 加工所述靶/墊板組件至所選擇的最終尺寸。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中步驟(a)包括形成Ru比Ta的原子比例在約95:5到約5:95范圍 的混合/摻和的Ru/Ta粉末；步驟(b)包括冷等靜壓加工(CIP);步驟(C)包括熱等靜壓加工(HIP);步驟(d)包括電火花加工(EDM);和 步驟(e)包括HIP。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中步驟(a)包括形成Ru比Ta的原子比例從大約90:10到大約40:60 的混合/摻和的Ru/Ta粉末；和 步驟(e)包括擴散結(jié)合CuZn墊板。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中步驟(f)包括加工所述靶/墊板組件，使其直徑為大約17.5英寸。
14. Ru-Ta合金濺射耙組件，其根據(jù)權(quán)利要求ll的方法制造。
15. Ru-Ta合金濺射靶組件，其根據(jù)權(quán)利要求12的方法制造。
16. Ru-Ta合金濺射靶組件，其根據(jù)權(quán)利要求13的方法制造。
17. 金屬合金濺射靶組件，包括(a) 靶板，其具有濺射表面并且由至少一種來自周期表第VIII 族的貴金屬或者近貴金屬和至少一種選自周期表第IVB、 VB和VIB 族的難熔金屬構(gòu)成；和(b) 墊板，其被擴散結(jié)合到與所述濺射表面相反的所述靶板的表面上。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的靶組件，其中所述靶板包括至少一種選自釕(Ru)、銠(Rh)、鈀(Pd)、鈷(Co)、 鎳(Ni)、鋨(Os)、銥(Ir)和鉑(Pt)的第VIII族金屬；和至少一種 選自鉭(Ta)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鈮(Nb)、鉬(Mo)和 鎢(W)的第IVB、 VB或者VIB族的難熔金屬。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18的靶組件，其中所述靶板包括Ru比Ta的原子比例在從大約95: 5到大約5: 95范 圍的Ru-Ta合金。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的靶組件，其中所述靶板包括Ru比Ta的原子比例在從大約90:10到大約40:60 范圍的Ru-Ta合金。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19的靶組件，其中所述墊板包括CuZn。
22. 根據(jù)權(quán)利要求19的靶組件，其直徑為大約17.5英寸。
全文摘要
本發(fā)明提供脆性金屬合金濺射靶及其制造方法。制造濺射靶組件的方法包括步驟混合/摻和選擇量的至少一種第VIII族貴金屬或者近貴金屬的粉末和至少一種第IVB、VB或者VIB族難熔金屬的粉末；將混合/摻和的粉末形成密度增加的生坯；從生坯形成全密度坯；從全密度坯切割靶板切片；將墊板擴散結(jié)合到靶板切片的表面以形成靶/墊板組件；和將靶/墊板組件加工至所選擇的最終尺寸。本公開方法對制造用于半導體金屬化工藝的大直徑Ru-Ta合金靶特別有用。
文檔編號C23C14/14GK101338408SQ20071016748
公開日2009年1月7日 申請日期2007年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月2日
發(fā)明者A·德奧杜特, B·孔克爾, C·德林頓, 易騖文, 李辛華 申請人:賀利氏有限公司