形成钛基和锆基混合金属材料的方法和溅射靶的制作方法

专利名称：形成钛基和锆基混合金属材料的方法和溅射靶的制作方法
技术领域：
本发明涉及形成钛基混合金属材料和锆基混合金属材料的方法。本发明还涉及溅射靶，在具体应用中涉及含锆溅射靶和/或含钛溅射靶。
背景技术：
有很多种应用中要求形成混合金属制品。为了解释下面的说明内容和权利要求书，术语“合金”和“混合金属制品”都被限定为属于具有总量大于或等于任何金属杂质总和的至少两种元素的组分。例如，4N5纯度(即99.995％纯度)的材料具有的所有金属杂质的总量为50ppm或更少。这里，限定Ti和Zr的4N5合金(或混合金属制品)包含Ti和Zr的量都大于或等于50ppm。通常，Ti和Zr中的一种将呈现出比另一种更高的浓度，但是无论如何，两者的浓度都会呈现出大于总金属杂质的浓度。其它示例的混合金属材料有3N5混合金属材料，根据这里的定义，其包含分别具有大于500ppm的浓度的至少两种元素；和5N5混合金属材料，根据这里的定义，其包含分别具有大于5ppm的浓度的至少两种元素。当然，除了特别指出不是重量百分比或浓度的任何其它百分比和浓度之外，这里的百分比和浓度指的是重量百分比和浓度。
在希望形成混合金属制品或合金的应用中是希望在该应用中形成高纯度合金的坯料。希望形成高纯度合金的坯料以使溅射靶(也称为物理汽相淀积靶)由该坯料形成。溅射靶将具有全部均匀分布的合金，这是由于其由包括高纯度合金的均匀组分的坯料形成。
通常，合金是由在主体金属的熔化池中加入元素合金组分，或者在将所述材料真正熔化到一起之前将各种熔化原料材料彼此预先混合和调配而制成。上述处理过程的限制是所述处理过程不适宜于进行批熔化处理，原因在于整个坯料材料决不会同时熔化。由此，必须进行几个连续熔化操作以产生均匀的耐火金属合金。没有多个熔化操作，在所得到的坯料材料中形成化学组分的变化。这种化学组分的变化可导致由坯料材料形成的结构中的问题。例如，如果溅射靶由坯料材料形成，所述溅射靶可以具有反映出坯料材料中不均匀化学组分的不均匀的化学组分。如果溅射靶用于半导体制造中，将从所述靶将所述材料溅射在半导体衬底上以淀积成膜。理想的是，该膜在整个材料上是同质和均匀的。但是，溅射靶中的化学组分和同质性的变化可转变成淀积膜的化学组分和同质性的变化，并降低包括该膜的装置的质量。
由于上述原因，希望研究出形成完全具有均匀和同质的组分的坯料的方法。
现有技术的另一个方面是将集成电路互联技术从铝消去法变为铜双重镶嵌法。由铝到铜的转变促使要研究新的阻挡层材料。具体而言，在铝工艺中使用氮化钛(TiN)膜作为阻挡层以阻止铝原子扩散到邻近的电介质材料中和使装置失效。例如，可以通过在氮气环境中反应性溅射钛靶形成TiN膜。已经发现，由于铜原子穿过TiN膜的扩散率太高，TiN膜对于铜是差的阻挡层。
在企图使钛材料粘附到电介质材料上时可能产生另一个问题，该问题在企图使用钛材料作为阻挡层时也可能产生。具体而言，经常发现钛材料不良粘附到通常所用的电介质材料(例如，如二氧化硅)上，并且由于这种不良粘附引起电路故障。
为努力避免与钛相关的问题，已经研究出将非钛的阻挡层作为扩散层。在已经研究的材料中有氮化钽(TaN)。已经发现TaN可具有接近纳米尺寸的颗粒结构和好的化学稳定性作为阻止铜扩散的阻挡层。但是，与TaN相关的困难是Ta的高成本使得将TaN层经济地结合到半导体制造过程中是很困难的。
Ti可以是比Ta成本低的材料。因此，如果可研究出使用含钛材料来代替含钽材料作为阻止铜扩散的阻挡层的方法，则可以减少微电子工业对于使用铜互联技术的材料成本。因此希望研究出适合于阻碍或阻止铜扩散的新的含钛材料作为阻挡层，并研究出用于形成包含新材料的溅射靶的方法。
除了希望研究出适合于作为阻挡层的新的含钛材料之外，还希望研究出适合于作为阻挡层和具有比目前所用的钽材料成本更低或性能更好的其它材料。此外，还希望研究出用于形成包含所述其它材料的溅射靶的方法。

发明内容
在一个方面，本发明包括形成钛基或锆基混合金属材料的方法。为了解释下面的公开内容和权利要求，“钛基”材料被限定为其中钛为大多数元素的材料，“锆基”材料被限定为锆为大多数元素的材料。“大多数元素”被限定为其浓度比材料的其它任何元素的都大的元素。大多数元素可以是材料的主要元素，但也可以是小于材料的50％。例如，假设在该材料中不存在其它元素的浓度大于或等于30％，其中钛仅占30％，则钛可以为该材料的大多数元素。在形成钛基混合金属坯料的示例性方法中，可以通过将卤化钛和至少一种其它金属卤化物的混合物和一还原剂结合形成这种坯料以制成混合金属制品。然后将该混合金属制品熔化以形成熔融的混合金属材料。将该熔融的混合金属材料冷却成混合金属坯料。该坯料包括钛和至少一种其它金属。钛是该坯料的大多数元素，该坯料具有的钛和该至少一种其它金属的纯度为至少99.95％。可使用该方法通过用卤化锆代替卤化钛而形成锆基材料。
在另一方面，本发明包括以电解形式形成钛基混合金属材料的方法。钛和至少一种其它金属的混合物被电解淀积为混合金属制品。然后将该混合金属制品熔化以形成熔融的混合金属材料。该熔融的混合金属材料被冷却成混合金属坯料。该坯料包括钛和至少一种其它金属。钛是该坯料的大多数元素，该坯料具有的钛和该至少一种其它金属的纯度为至少99.95％。可使用该方法通过用锆代替钛而以电解形式形成锆基混合金属材料。
在另一方面，本发明包括形成钛基或锆基混合金属材料的碘化物转变方法。在反应设备中提供包括钛或锆的混合物与碘气体和加热的衬底。钛或锆与碘气体反应形成碘化物，该碘化物随后转移到加热的衬底上。利用来自衬底的热量分解该碘化物，并产生包括钛或锆的混合金属制品。该混合金属制品可被熔化以形成熔融的混合金属材料，该熔融的混合金属材料可被冷却成混合金属坯料。
在又一方面，本发明包括溅射靶，该溅射靶包含锆和选自由Al，B，Ba，Be，Ca，Ce，Co，Cs，Dy，Er，Fe，Gd，Hf，Ho，La，Mg，Mn，Mo，Nb，Ni，Pr，Sc，Sm，Sr，Ta，Ti，V，W，Y和Yb组成的组中的一种或多种元素。
在再一方面，本发明包括含有钛和硼的溅射靶。


下面参照附图描述本发明的优选实施例。
图1示出本发明包括的方法的流程图；图2示出本发明的示例性还原过程的流程图；图3示出在本发明的电解过程中使用的设备的横截面示意图；图4示出一系列元素的标准还原电压的示图，还示出包括具有在Ti2+/Ti反应的±0.5V内的标准还原电压的元素的窗口区域；图5示出在本发明包括的碘化物过程的横截面示意图；图6是本发明包括的熔化和坯料形成过程的方框图。
优选实施例的具体说明本发明包括形成混合金属材料的新的方法，在具体应用中包括形成包含金属混合物的坯料的新方法。在特定的实施例中，通过还原过程、电解过程或碘化物过程中的一个或多个过程制造混合金属原料，随后所述原料被熔化以形成均匀熔化的金属混合物。然后该熔融的混合物被冷却以形成混合金属坯料，在整个坯料中金属被均匀地混合成例如合金组分。随后可使用该坯料以形成该材料，在该材料中均匀的混合金属组分是理想的。例如，该坯料可用于形成溅射靶。应注意的是，前面在美国专利No.6063254、No.6024847和美国专利申请No.08/994733中已经描述了各种还原过程、电解过程和碘化物过程。在此引入美国专利No.6063254、No.6024847和美国专利申请No.08/994733作为参考。
在特定应用中，坯料中提供的混合金属可以是钛基材料(即钛在金属中为大多数元素)，在其它应用中，混合金属可以是锆基混合物(即在金属中锆为大多数元素)。钛基或锆基的混合物可以最终用于形成溅射靶。钛基溅射靶或锆基溅射靶的一种应用是可以用于钛基或锆基膜在半导体衬底上的溅射淀积。可以使用钛基或锆基膜用作阻挡层以阻止铜从含铜组分迁移到与半导体相关的其它组分上。特别是，可以在含铜组分与半导体衬底的其它组分之间设置该膜，并将该膜用于阻止铜从含铜组分迁移到与该衬底相关的其它组分上。为了有助于解释所附的权利要求书，术语“半导电衬底”和“半导体衬底”被限定为表示包括半导电材料的任意结构，其包括但不限于大块半导电材料如半导电晶片(其上单独或组合地包含其它的材料)，和半导电材料层(单独或组合地包含其它的材料)。术语“衬底”表示任意支撑结构，其包括但不限于上述半导电结构。例如，示例性的半导电材料为硅，如单晶硅。在钛基阻挡层中特别有用的是包括钛以及Zr和Hf中的一种或两种、主要由或由钛以及Zr和Hf中的一种或两种组成的层，并且这些层由包括钛以及Zr和Hf中的一种或两种、主要由或由钛以及Zr和Hf中的一种或两种组成的溅射靶形成。在锆基阻挡层中特别有用的是包括锆以及Ti和Hf中的一种或两种、主要由或由锆以及Ti和Hf中的一种或两种组成的层，并且这些层由包括锆以及Ti和Hf中的一种或两种、主要由或由锆以及Ti和Hf中的一种或两种组成的溅射靶形成。
本发明包括的方法在图1的流程图中示出。在最初步骤10中，提供金属元素的混合物。该混合物通常包括钛或锆，在特定实施例中将包括钛和锆。所述元素在步骤10的混合物中可以是以元素形式，或者可以设置成分子组分。例如钛可以设置成例如元素钛或TiCl4。
步骤10的混合物被提供给还原过程12、电解过程14或碘化物过程16中的一个或多个过程。在图1的图表中，示出还原过程12通过一虚线箭头与电解过程14相连，又依次示出该电解过程14通过一虚线箭头与碘化物过程16相连。虚线箭头表示过程12、14和16可以彼此相对有顺序地可选择地进行。例如，可将来自步骤10的材料提供给还原过程12，然后顺序从还原过程12提供给电解过程14，随后从电解过程14提供给碘化物过程16。可替换的是，可将来自步骤10的材料提供给还原过程12，然后并不传送到电解过程14或碘化物过程16。此外，尽管示出在过程12、14和16之间的箭头是以特定方向前进的，但是应理解由虚线箭头相连的过程可以以与所示方法相反的方式连接。例如，来自电解过程14的材料可提供给还原过程12，而不是所示的从还原过程12前进到电解过程14的流程。但是，所示的流程是优选的流程方向，原因在于，电解过程通常被认为是在还原过程之后进一步纯化材料的过程，碘化物过程被认为是在由电解过程14或还原过程12完成的过程之外可产生附加的纯化过程。
材料经过过程12、14和16中的一个或多个流程之后，该材料被认为是一制品。该制品经受包括熔化该产品的步骤18的处理，随后冷却该熔化的材料以形成一坯料。该坯料将具有包含于其中的元素的混合物，这种混合物反映出应用于步骤10的组分中的至少一些金属元素的原始混合物。但是，由于相对于另外的金属材料，过程12、14和16的动力学和热动力学可能有助于某一种金属材料，因此形成于步骤18的坯料的最终成分和步骤10的混合物的组分元素具有不同的化学计量关系。
图2-6中更详细描述了步骤12、14、16和18的过程。先参照图2，进一步说明步骤12的还原过程。所示过程形成主要由或由钛/锆合金组成的混合金属材料。最初，混合四氯化锆(ZrCl4)，四氯化钛(TiCl4)，以及还原剂(如钠或镁金属)。所得到的放热反应产生钛和锆合金。合金中钛和锆的相对比例接近于正比于四氯化钛与四氯化锆的比例。因此，通过应用相对于四氯化锆比例较高的四氯化钛可形成钛基合金，通过应用相对于四氯化钛百分比较高的四氯化锆可形成锆基合金。尽管是参照使用金属氯化物的反应剂说明本发明的，但是应该理解，除金属氯化物之外，或者作为金属氯化物的替换，可采用其它金属卤化物。
在图2中的还原过程中使用的反应剂通常可以是气态或液态形式。例如，反应剂可包括熔化的钠，而四氯化锆和四氯化钛可以是气态形式。因此，在还原过程中发生的反应可以归纳成下面的反应(1)和反应(2)，其中，s＝固态；l＝液态；g＝气态。
(1)(2)Ti(s)和Zr(s)可形成海绵状混合金属。这种多孔材料随后可被熔化和冷却以形成一坯料，或者被用作在图1的电解过程14中或在图1的碘化物过程16中的原料。
尽管还原过程在图2中被示出为用于形成包括钛和锆的合金，但是应该理解，还原过程也可形成其它的金属材料。例如，可以结合钛使用选自由Al，B，Ba，Be，Ca，Ce，Co，Cs，Dy，Er，Fe，Gd，Hf，Ho，La，Mg，Mn，Mo，Nb，Nd，Ni，Pr，Sc，Sm，Sr，Ta，V，W，Y，Yb和Zr组成的组中的一种或多种金属以形成合金。更具体而言，在还原过程中可以结合四氯化钛使用所列出元素的氯化物(或其它卤化物)以形成合金。可替换的是，可以结合锆使用选自由Al，B，Ba，Be，Ca，Ce，Co，Cs，Dy，Er，Fe，Gd，Hf，Ho，La，Mg，Mn，Mo，Nb，Nd，Ni，Pr，Sc，Sm，Sr，Ta，Ti，V，W，Y和Yb组成的组中的一种或多种金属以形成合金。
如果形成的合金是钛基合金，则由图1的过程产生的材料的非钛金属的总含量可以在0.001％-50％的范围，例如在0.001％-10％的范围。在特定的实施例中，材料的非钛金属的总含量将至少为0.01％，在另一实施例中将至少为0.1％，在又一实施例中将至少为1％，而在另一其它实施例中将至少为2％。在混合金属材料中至少一种非钛金属的量将设置到材料中足够的浓度，以具有大于5N5材料纯度的5ppm，大于4N5材料纯度的50ppm，大于3N5材料纯度的500ppm，大于材料纯度3N的千分之一。
如果该混合金属材料随后被熔化和用于形成一坯料，如图1过程的步骤18所示，并且如果在还原过程和熔化过程之间没有产生插入过程而进行这种熔化，则在所形成的坯料中的非钛金属的相对比例将和在图2的还原过程中形成的混合金属制品的相同。
如果形成的合金是锆基合金，则由图1的过程产生的材料的非锆金属的总含量可以在0.001％-50％的范围，例如在0.001％-10％的范围。在特定的实施例中，材料的非锆金属的总含量将至少为0.01％，在另一实施例中将至少为0.1％，在又一实施例中将至少为1％，而在另一其它实施例中将至少为2％。在混合金属材料中至少一种非锆金属的量将设置达到材料中足够的浓度，以具有大于5N5材料纯度的5ppm，大于4N5材料纯度的50ppm，大于3N5材料纯度的500ppm，或大于3N材料纯度的千分之一。
在特定实施例中，可使用图2的还原过程形成由钛和锆组成的合金，如图所示。在这些过程中，该材料可以是钛基的，除了钛之外的其它金属只有锆；或者该材料可以是锆基的，除了锆之外的其它金属只有钛。
接着参照图3，详细说明图1的电解过程14。具体地，图3示出了可用于本发明的电解程序的设备50。该设备50包括熔炉52。阳极54和阴极56被设置于熔炉52内。金属原料58紧靠阳极54设置。该金属原料58可包括例如钛或锆中的一种或两种。在特定实施例中，该金属原料可包括钛和选自由Al，B，Ba，Be，Ca，Ce，Co，Cs，Dy，Er，Fe，Gd，Hf，Ho，La，Mg，Mn，Mo，Nb，Nd，Ni，Pr，Sc，Sm，Sr，Ta，V，W，Y，Yb和Zr组成的组中的至少一种其它金属；或者可包括锆和选自由Al，B，Ba，Be，Ca，Ce，Co，Cs，Dy，Er，Fe，Gd，Hf，Ho，La，Mg，Mn，Mo，Nb，Nd，Ni，Pr，Sc，Sm，Sr，Ta，Ti，V，W，Y和Yb组成的组中的至少一种其它金属。在一示例性实施例中，钛是设置于原料中的大部分元素，在另一示例性实施例中，锆是设置于原料中的大部分元素。
电解液60设置于阳极和阴极之间。电解液可包括盐，例如NaCl或MgCl2，并且由于由熔炉52保持的温度，其可以是以熔化形式。
在操作中，在阳极54和阴极56之间提供电压。并且金属从混合物58被电解传送到阴极56以在阴极56处形成混合金属制品62。尽管混合物58被描述成紧靠阳极54设置，应该理解可以认为阳极54是和混合物58电互联，并且可认为该混合物58在电解传送反应过程中有效地充当“阳极”。可由供应到设备50的电压部分确定混合金属制品62的组分。图4示出用于还原各种元素的标准还原电压的图表。图4还示出了用于还原Ti2+/Ti的在±0.5V内形成的窗口区域。因此，如果供应到设备50的电压在用于Ti2+/Ti的±0.5V的还原电压之内，只有在所示窗口内的元素会形成于该混合金属制品62中。因此，可应用设备50相对于设置于阳极54的材料58来纯化混合金属制品。具有用于还原Ti2+/Ti的±0.5V范围内的还原电压的元素包括Eu，Zr，Ti和Zn。
本发明的一个方面是在阴极56处形成混合金属制品。例如，如果大多数元素是钛，则在阴极56处的材料将优选包括至少0.001％的除钛以外的元素；如果大多数元素是锆，则制品62将优选包括至少0.001％的除锆以外的元素。设置于阴极56的元素的量和类型可由设备50所使用的电压和开始材料58确定。特别是，如果使用±0.7V还原电压的电压窗口来转化Ti2+/Ti，与如果使用±0.5V还原电压的电压窗口来转化Ti2+/Ti相比，其具有更广泛数量的元素可组合到制品62中。优选的是，对于大多数元素(例如钛或锆)，电压窗口不要超过±0.7V以上的还原电压，以免将过多的杂质增加到制品62中。
下面参照图5，示意性示出在图1的步骤16中使用的碘化物过程。具体地，图5示出一包括反应室102的设备100。原料106被设置于反应室102中，一加热的衬底104延伸进入反应室102中。原料106至少包括两种不同的金属，并且例如可包括钛或锆作为大多数金属。碘气体体108被设置于反应室102中。在操作中，碘气体体108将金属从原料106转移到加热的衬底104。然后金属在衬底104上淀积以形成制品110。下面将参照反应(3)-(5)说明金属从原料106到加热的衬底104的转移，并具体相对于钛金属的构造来描述。
(3)(4)(5)因此，钛被转化成碘化物(具体而言是TiI4)，随后该碘化物在加热衬底104上分解以淀积出钛材料110。上述反应只是示例性反应，应该理解，除了上述反应外，或作为上述反应的替换，在设备100中金属迁移的化学性质还可包括其它的反应。
材料从原料106到制品110的转化率可取决于这些因素在原料106和衬底104之间的温度差，碘的浓度，特定金属和碘形成碘化物的反应的动态特性，和特定的金属碘化物分解以形成金属元素的反应的动态特性。因此，如果原料106包括元素的混合物，由于例如各种金属碘化物的碘化物构造的动态特性的差别和/或各种金属碘化物的碘化物分解的动态特性的差别，制品110可包括其化学计量和初始作为原料106的不同的混合物。
原料106可主要包括锆以及还包括选自由Al，B，Ba，Be，Ca，Ce，Co，Cs，Dy，Er，Fe，Gd，Hf，Ho，La，Mg，Mn，Mo，Nb，Nd，Ni，Pr，Sc，Sm，Sr，Ta，Ti，V，W，Y和Yb组成的组中的一种或多种元素。或者原料106可主要包括钛和选自由Al，B，Ba，Be，Ca，Ce，Co，Cs，Dy，Er，Fe，Gd，Hf，Ho，La，Mg，Mn，Mo，Nb，Nd，Ni，Pr，Sc，Sm，Sr，Ta，V，W，Y，Yb和Zr组成的组中的一种或多种元素。此外，制品110可主要包括锆以及还包括选自由Al，B，Ba，Be，Ca，Ce，Co，Cs，Dy，Er，Fe，Gd，Hf，Ho，La，Mg，Mn，Mo，Nb，Nd，Ni，Pr，Sc，Sm，Sr，Ta，Ti，V，W，Y和Yb组成的组中的一种或多种元素。或者制品110可主要包括钛和选自由Al，B，Ba，Be，Ca，Ce，Co，Cs，Dy，Er，Fe，Gd，Hf，Ho，La，Mg，Mn，Mo，Nb，Nd，Ni，Pr，Sc，Sm，Sr，Ta，V，W，Y，Yb和Zr组成的组中的一种或多种元素。
图6是可用于图1的步骤18中的处理的系统的方框图说明。具体而言，图6示出包括进料口154，冷却炉156和模具158的系统150。在操作中，进料材料通过进料口154被注入，并由真空熔融(例如用电子束枪)熔化以形成存在于进料材料中的各元素的均匀熔化的混合物。随后熔化的混合物被注入冷却炉156，然后流入模具158。模具158可以例如坯料筒的形式。因此，流入模具158中的材料可冷却以形成坯料。该坯料优选具有最初存在于进料材料的元素的均匀组分。
提供给设备150的进料材料可以是由图1中步骤12的还原过程、图1中步骤14的电解过程或图1中步骤16的碘化物过程的产物。尽管如此，该原料优选包括一金属混合物，例如具有至少0.001％非钛金属的钛基合金；或具有至少0.001％非锆金属的锆基合金。如果进料材料是钛基的，则该坯料的非钛金属的含量可以在0.001％-50％的范围，例如在0.001％-10％的范围。例如非钛金属的含量可至少为0.01％，在特定实施例中可以至少为0.1％。或者，如果该坯料中形成的材料是锆基的，则非锆金属的含量可以在0.001％-50％的范围，例如在0.001％-10％的范围。此外非锆金属的含量可至少为0.01％，在特定实施例中可以至少为0.1％。
在图6的过程中形成的冷却坯料可用于形成溅射靶。包括金属元素的均匀混合物的溅射靶在溅射过程中是特别有用的，其中理想的是形成用于防止铜扩散的钛基或锆基阻挡层。
如果阻挡层是钛基材料，这种阻挡层可由例如包括钛结合选自由Al，B，Ba，Be，Ca，Ce，Co，Cs，Dy，Er，Fe，Gd，Hf，Ho，La，Mg，Mn，Mo，Nb，Nd，Ni，Pr，Sc，Sm，Sr，Ta，V，W，Y，Yb和Zr组成的组中的一种或多种元素的靶通过溅射淀积而成。应注意的是，用于本发明的溅射靶的多种元素是通常由现有技术的钛基溅射靶排除在外的元素。因此，在现有技术中还没有研究出形成钛和一种或多种上述列举元素的均匀混合物的方法。但是对于本发明的溅射应用来说，靶包括这些存在于溅射靶中的全部元素的均匀混合物是理想的。本发明的方法可形成这种均匀混合物。具体而言，由于本发明的方法熔化混合金属原料，本发明的方法可形成均匀的混合金属坯料，该坯料又可用于形成完全具有均匀混合金属组分的溅射靶。
如果阻挡层是锆基材料，这种阻挡层可由例如包括锆结合选自由Al，B，Ba，Be，Ca，Ce，Co，Cs，Dy，Er，Fe，Gd，Hf，Ho，La，Mg，Mn，Mo，Nb，Nd，Ni，Pr，Sc，Sm，Sr，Ta，Ti，V，W，Y和Yb组成的组中的一种或多种元素的靶通过溅射淀积而成。在溅射靶中锆的示例性浓度为至少55％，至少70％，至少90％，至少94％，或至少97％。在具体应用中，在溅射靶中非锆金属的量可设置达到一足够的浓度，使得锆为小于99％或小于98％，同时仍然是靶的大多数元素。因此，例如靶可包括锆的浓度在约50％-98％的范围，或者靶可包括锆的浓度在约50％-99％的范围。此外，溅射靶可主要由或由锆和钛组成。
这里描述的这种锆基的溅射靶具有的特性相似于钛基溅射靶的特性，因此可用于形成扩散屏障以阻止或防止铜从含铜材料扩散到与半导体衬底相关联的其它元件。在现有技术中还没有研究出形成包含锆和一种或多种上述列举元素的均匀混合物的溅射靶的方法，但是本发明的方法可形成这种均匀混合物。具体而言，由于本发明的方法熔化混合金属原料，本发明的方法可形成均匀的混合金属锆基坯料，该坯料又可用于形成完全具有均匀锆基混合金属组分的溅射靶。
如果阻挡层是钛基材料，这种阻挡层可由包含钛(Ti)和硼(B)的靶，主要由或由钛和硼组成的靶通过溅射淀积而成。在溅射靶中钛的示例性浓度为至少70％，至少90％，至少94％，或至少97％。在具体应用中，在溅射靶中硼的量可设置达到一足够的浓度，使得硼大于5N5靶纯度的5ppm，大于4N5靶纯度的50ppm，大于3N5靶纯度的500ppm，或大于3N靶纯度的千分之一。钛/硼混合金属的溅射靶可用于形成扩散屏障以阻止或防止铜从含铜材料扩散到与半导体衬底相关联的其它元件。在现有技术中还没有研究出形成由钛和硼的均匀混合物组成的溅射靶的方法，但是本发明的方法可形成这种均匀混合物。具体而言，由于本发明的方法熔化混合金属原料，本发明的方法可形成均匀的混合金属钛/硼坯料，该坯料又可用于形成完全具有均匀钛和硼的混合金属组分的溅射靶。
权利要求
1.一种用于形成钛基混合金属制品的方法，其包括结合卤化钛和至少一种金属卤化物的混合物以及一还原剂以产生一种混合金属制品，该混合金属制品包含钛和至少一种金属，该至少一种金属对应于至少一种其它金属卤化物的至少一种金属；其中，至少一种其它金属卤化物的至少一种金属选自由Al，B，Ba，Be，Ca，Ce，Co，Cs，Dy，Er，Fe，Gd，Hf，Ho，La，Mg，Mn，Mo，Nb，Nd，Ni，Pr，Sc，Sm，Sr，Ta，V，W，Y，Yb和Zr组成的组；该混合金属制品的纯度为至少99.95％；以及该混合金属制品包含大于0.05％的至少一种金属。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合金属制品包含大于0.1％的至少一种金属。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合金属制品包含大于0.5％的至少一种金属。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一种金属只是一种金属。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一种金属是两种金属。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一种金属包括锆。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一种金属包括铪。
8.一种用于形成钛基混合金属制品的方法，其包括电解淀积一种混合金属制品，该混合金属制品包括钛和至少一种其它金属的混合物；其中，至少一种其它金属选自由Al，B，Ba，Be，Ca，Ce，Co，Cs，Dy，Er，Fe，Gd，Hf，Ho，La，Mg，Mn，Mo，Nb，Nd，Ni，Pr，Sc，Sm，Sr，Ta，V，W，Y，Yb和Zr组成的组；其中该混合金属制品的纯度为至少99.95％；以及该混合金属制品包含大于0.05％的至少一种其它金属。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述混合金属制品包含大于0.1％的至少一种其它金属。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述混合金属制品包含大于0.5％的至少一种其它金属。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述至少一种其它金属只是一种其它金属。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述至少一种其它金属是两种其它金属。
13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述至少一种金属包括锆。
14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述至少一种金属包括铪。
15.一种用于形成钛基混合金属制品的方法，其包括在具有碘气体和加热衬底的反应设备中提供钛和至少一种其它金属的混合物；所述至少一种其它金属选自由Al，B，Ba，Be，Ca，Ce，Co，Cs，Dy，Er，Fe，Gd，Hf，Ho，La，Mg，Mn，Mo，Nb，Nd，Ni，Pr，Sc，Sm，Sr，Ta，V，W，Y，Yb和Zr组成的组；使钛和至少一种其它金属与碘气体反应以形成碘化钛和至少一种其它金属的碘化物；将所述碘化钛和至少一种其它金属的碘化物传递到加热衬底，利用来自衬底的热量使碘化物分解并产生包含钛和至少一种其它金属的混合金属制品；其中，该混合金属制品的纯度为至少99.95％；以及该混合金属制品包含大于0.05％的至少一种其它金属。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述混合金属制品包含大于0.1％的至少一种其它金属。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述混合金属制品包含大于0.5％的至少一种其它金属。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述至少一种其它金属只是一种其它金属。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述至少一种其它金属是两种其它金属。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述至少一种金属包括锆。
21.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述至少一种金属包括铪。
22.一种用于形成锆基混合金属制品的方法，其包括结合卤化锆和至少一种其它金属卤化物的混合物以及一还原剂以产生一种混合金属制品，该混合金属制品包含锆和至少一种金属，该至少一种金属对应于至少一种其它金属卤化物的至少一种金属；其中，至少一种其它金属卤化物的至少一种金属选自由Al，B，Ba，Be，Ca，Ce，Co，Cs，Dy，Er，Fe，Gd，Hf，Ho，La，Mg，Mn，Mo，Nb，Nd，Ni，Pr，Sc，Sm，Sr，Ta，Ti，V，W，Y和Yb组成的组；该混合金属制品的纯度为至少99.95％；以及该混合金属制品包含大于0.05％的至少一种金属。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述混合金属制品包含大于0.1％的至少一种金属。
24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述混合金属制品包含大于0.5％的至少一种金属。
25.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述至少一种金属只是一种金属。
26.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述至少一种金属是两种金属。
27.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述至少一种金属包括钛。
28.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述至少一种金属包括铪。
29.一种用于形成锆基混合金属制品的方法，其包括电解淀积一种混合金属制品，该混合金属制品包含锆和至少一种其它金属的混合物；至少一种其它金属选自由Al，B，Ba，Be，Ca，Ce，Co，Cs，Dy，Er，Fe，Gd，Hf，Ho，La，Mg，Mn，Mo，Nb，Nd，Ni，Pr，Sc，Sm，Sr，Ta，Ti，V，W，Y和Yb组成的组；其中，该混合金属制品的纯度为至少99.95％；以及该混合金属制品包含大于0.05％的至少一种其它金属。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述混合金属制品包含大于0.1％的至少一种其它金属。
31.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述混合金属制品包含大于0.5％的至少一种其它金属。
32.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述至少一种其它金属只是一种其它金属。
33.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述至少一种其它金属是两种其它金属。
34.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述至少一种金属包括钛。
35.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述至少一种金属包括铪。
36.一种用于形成锆基混合金属制品的方法，其包括在具有碘气体和加热衬底的反应设备中提供锆和至少一种其它金属的混合物；所述至少一种其它金属选自由Al，B，Ba，Be，Ca，Ce，Co，Cs，Dy，Er，Fe，Gd，Hf，Ho，La，Mg，Mn，Mo，Nb，Nd，Ni，Pr，Sc，Sm，Sr，Ta，Ti，V，W，Y和Yb组成的组；使锆和至少一种其它金属与碘气体反应以形成碘化锆和至少一种其它金属的碘化物；将所述碘化锆和至少一种其它金属的碘化物传递到加热衬底，并利用来自衬底的热量使碘化物分解并产生包含锆和至少一种其它金属的混合金属制品；其中，该混合金属制品的纯度为至少99.95％；以及该混合金属制品包含大于0.05％的至少一种其它金属。
37.如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述混合金属制品包含大于0.1％的至少一种其它金属。
38.如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述混合金属制品包含大于0.5％的至少一种其它金属。
39.如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述至少一种其它金属只是一种其它金属。
40.如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述至少一种其它金属是两种其它金属。
41.如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述至少一种金属包括钛。
42.如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述至少一种金属包括铪。
43.一种用于形成钛基混合金属制品的方法，其包括结合卤化钛和一种以上其它金属卤化物的混合物以及一还原剂以产生一种混合金属制品，其中，一种以上其它金属卤化物选自由Al，B，Ba，Be，Ca，Ce，Co，Cs，Dy，Er，Fe，Gd，Hf，Ho，La，Mg，Mn，Mo，Nb，Nd，Ni，Pr，Sc，Sm，Sr，Ta，V，W，Y，Yb和Zr的卤化物组成的组；将该混合金属制品熔化以形成熔融的混合金属材料；以及将该熔融的混合金属材料冷却成混合金属坯料；该坯料包含钛和一种以上其它金属；所述一种以上其它金属对应于一种以上金属卤化物的一种以上其它金属；钛是该坯料的大多数元素；该坯料具有的钛和该一种以上其它金属的纯度为至少99.95％。
44.如权利要求43所述的方法，其特征在于，所述卤化钛是氯化钛，以及所述其它金属卤化物是金属氯化物。
45.如权利要求43所述的方法，其特征在于，该坯料具有的所述钛和该一种以上其它金属的纯度为至少99.995％。
46.如权利要求43所述的方法，其特征在于，所述该坯料具有的所述钛和该一种以上其它金属的纯度为至少99.9995％。
47.如权利要求43所述的方法，其特征在于，所述一种以上其它金属包括锆。
48.如权利要求43所述的方法，其特征在于，所述一种以上其它金属只是一种其它金属，并由锆组成。
49.如权利要求43所述的方法，其特征在于，还包括由所述坯料形成溅射靶。
50.一种用于形成锆基混合金属制品的方法，其包括结合卤化锆和一种以上其它金属卤化物的混合物以及一还原剂以产生一种混合金属制品；将该混合金属制品熔化以形成熔融的混合金属材料；以及将该熔融的混合金属材料冷却成混合金属坯料；该坯料包含锆和一种以上其它金属；所述一种以上其它金属对应于一种以上金属卤化物的一种以上其它金属；锆是该坯料的大多数元素；该坯料具有的锆和该一种以上其它金属的纯度为至少99.95％。
51.如权利要求50所述的方法，其特征在于，所述卤化锆是氯化锆，以及所述其它金属卤化物是金属氯化物。
52.如权利要求50所述的方法，其特征在于，该坯料具有的所述锆和该一种以上其它金属的纯度为至少99.995％。
53.如权利要求50所述的方法，其特征在于，所述该坯料具有的所述锆和该一种以上其它金属的纯度为至少99.9995％。
54.如权利要求50所述的方法，其特征在于，所述一种以上其它金属选自由Al，B，Ba，Be，Ca，Ce，Co，Cs，Dy，Er，Fe，Gd，Hf，Ho，La，Mg，Mn，Mo，Nb，Nd，Ni，Pr，Sc，Sm，Sr，Ta，Ti，V，W，Y和Yb组成的组。
55.如权利要求50所述的方法，其特征在于，所述一种以上其它金属包括钛。
56.如权利要求50所述的方法，其特征在于，所述一种以上其它金属只是一种其它金属，并由钛组成。
57.如权利要求50所述的方法，其特征在于，所述还原剂选自由钠金属和镁金属组成的组。
58.如权利要求50所述的方法，其特征在于，还包括由所述坯料形成溅射靶。
59.一种用于形成钛基混合金属制品的方法，其包括电解淀积钛和至少一种其它金属的混合物，所淀积的混合物成为一种混合金属制品；将该混合金属制品熔化以形成熔融的混合金属材料；将该熔融的混合金属材料冷却成混合金属坯料；该坯料包含钛和至少一种其它金属；钛是该坯料的大多数元素；该坯料具有的钛和该至少一种其它金属的纯度为至少99.95％。
60.如权利要求59所述的方法，其特征在于，被淀积的所述至少一种其它金属具有的淀积还原电压在将Ti2+转化为元素Ti的±0.7V的还原电压范围内。
61.如权利要求59所述的方法，其特征在于，被淀积的所述至少一种其它金属具有的淀积还原电压在将Ti2+转化为元素Ti的±0.5V的还原电压范围内。
62.如权利要求59所述的方法，其特征在于，被淀积的所述至少一种其它金属包括锆。
63.如权利要求59所述的方法，其特征在于，被淀积的所述至少一种其它金属只是一种其它金属，并由锆组成。
64.如权利要求59所述的方法，还包括结合卤化钛和其它金属卤化物的混合物以及一还原剂以产生一种混合金属制品，所述金属卤化物包含至少一种其它金属；以及其中电解淀积利用该混合金属原料作为阳极，并包括将钛和该至少一种其它金属从阳极传递到阴极，从而钛和该至少一种其它金属被淀积为混合金属制品。
65.一种形成锆基混合金属坯料的方法，其包括电解淀积锆和至少一种其它金属的混合物，所淀积的混合物成为一种混合金属制品；将该混合金属制品熔化以形成熔融的混合金属材料；以及将该熔融的混合金属材料冷却成混合金属坯料；该坯料包含锆和至少一种其它金属；锆是该坯料的大多数元素；该坯料具有的锆和该至少一种其它金属的纯度为至少99.95％。
66.如权利要求65所述的方法，其特征在于，被淀积的所述至少一种其它金属具有的淀积还原电压在将Zr2+转化为元素Zr的±0.7V的还原电压范围内。
67.如权利要求65所述的方法，其特征在于，被淀积的所述至少一种其它金属具有的淀积还原电压在将Zr2+转化为元素Zr的±0.5V的还原电压范围内。
68.如权利要求65所述的方法，其特征在于，被淀积的所述至少一种其它金属包括钛。
69.如权利要求65所述的方法，其特征在于，被淀积的所述至少一种其它金属只是一种其它金属，并由钛组成。
70.如权利要求65所述的方法，还包括结合卤化锆和其它金属卤化物的混合物以及一还原剂以产生一种混合金属制品，所述金属卤化物包括至少一种其它金属；以及其中电解淀积利用该混合金属原料作为阳极，并包括将锆和至少一种其它金属从阳极传递到阴极，从而所述锆和至少一种其它金属被淀积为混合金属制品。
71.一种用于形成钛基混合金属制品的方法，其包括在具有碘气体和加热衬底的反应设备中提供钛和至少一种其它金属的混合物；使钛和至少一种其它金属与碘气体反应以形成碘化钛和至少一种其它金属的碘化物；将所述碘化钛和至少一种其它金属的碘化物传递到加热衬底，利用来自衬底的热量使所述碘化物分解并产生包含钛和至少一种其它金属的混合金属制品；将该混合金属制品熔化以形成熔融的混合金属材料；以及将该熔融的混合金属材料被冷却成混合金属坯料；该坯料包含钛和至少一种其它金属；所述钛是该坯料的大多数元素；该坯料具有的钛和该至少一种其它金属的纯度为至少99.95％。
72.如权利要求71所述的方法，其特征在于，所述至少一种其它金属选自由Al，B，Ba，Be，Ca，Ce，Co，Cs，Dy，Er，Fe，Gd，Hf，Ho，La，Mg，Mn，Mo，Nb，Nd，Ni，Pr，Sc，Sm，Sr，Ta，V，W，Y，Yb和Zr组成的组。
73.如权利要求71所述的方法，其特征在于，所述至少一种其它金属包括锆。
74.如权利要求71所述的方法，其特征在于，所述至少一种其它金属只是一种其它金属，并由锆组成。
75.如权利要求71所述的方法，还包括通过结合卤化钛和其它金属卤化物的混合物以及一还原剂以产生混合物而形成所述钛和所述至少一种其它金属的混合物，所述金属卤化物包含至少一种其它金属。
76.如权利要求71所述的方法，还包括通过电解淀积钛和至少一种其它金属的混合物而形成所述钛和至少一种其它金属的混合物。
77.如权利要求76所述的方法，还包括结合卤化钛和其它金属卤化物的混合物以及一还原剂以产生混合金属原料，所述金属卤化物包括至少一种其它金属；和其中电解淀积利用该混合金属原料作为阳极，并包括将钛和至少一种其它金属从阳极传递到阴极，从而钛和至少一种其它金属被淀积为钛和至少一种其它金属的混合物。
78.一种用于形成锆基混合金属制品的方法，其包括在具有碘气体和加热衬底的反应设备中提供锆和至少一种其它金属的混合物；使锆和至少一种其它金属与碘气体反应以形成碘化锆和至少一种其它金属的碘化物；将所述碘化锆和至少一种其它金属的碘化物传递到加热衬底，利用来自衬底的热量使碘化物分解并产生包含锆和至少一种其它金属的混合金属制品；将该混合金属制品熔化以形成熔融的混合金属材料；以及将该熔融的混合金属材料冷却成混合金属坯料；该坯料包含锆和至少一种其它金属；锆是该坯料的大多数元素；该坯料具有的锆和该至少一种其它金属的纯度为至少99.95％。
79.如权利要求78所述的方法，其特征在于，所述至少一种其它金属选自由Al，B，Ba，Be，Ca，Ce，Co，Cs，Dy，Er，Fe，Gd，Hf，Ho，La，Mg，Mn，Mo，Nb，Nd，Ni，Pr，Sc，Sm，Sr，Ta，Ti，V，W，Y和Yb组成的组。
80.如权利要求78所述的方法，其特征在于，所述至少一种其它金属包括钛。
81.如权利要求78所述的方法，其特征在于，所述至少一种其它金属只是一种其它金属，并由钛组成。
82.如权利要求78所述的方法，还包括通过结合卤化锆和金属卤化物的混合物以及一还原剂以产生混合物而形成所述锆和至少一种其它金属的混合物，所述金属卤化物包含至少一种其它金属。
83.如权利要求78所述的方法，还包括通过电解淀积锆和至少一种其它金属的混合物而形成锆和至少一种其它金属的混合物。
84.如权利要求83所述的方法，还包括结合卤化锆和金属卤化物的混合物以及一还原剂以产生混合金属原料，所述金属卤化物包含至少一种其它金属；和其中电解淀积利用该混合金属原料作为阳极，并包括将锆和至少一种其它金属从阳极传递到阴极，从而锆和至少一种其它金属被淀积为锆和至少一种其它金属的混合物。
85.一种溅射靶，其包含锆和一种以上选自由Al，B，Ba，Be，Ca，Ce，Co，Cs，Dy，Er，Fe，Gd，Hf，Ho，La，Mg，Mn，Mo，Nb，Nd，Ni，Pr，Sc，Sm，Sr，Ta，V，W，Y和Yb组成的组的元素；锆是该靶的大多数元素。
86.如权利要求85所述的溅射靶，其特征在于，在靶中锆的浓度为至少70％。
87.如权利要求85所述的溅射靶，其特征在于，在靶中锆的浓度为至少90％。
88.如权利要求85所述的溅射靶，其特征在于，在靶中锆的浓度为至少94％。
89.如权利要求85所述的溅射靶，其特征在于，在靶中锆的浓度为至少97％。
90.如权利要求85所述的溅射靶，其特征在于，在靶中锆的浓度为至少98％。
91.如权利要求85所述的溅射靶，其特征在于，靶的非锆金属的总含量在坯料的0.001％-50％的范围内。
92.如权利要求85所述的溅射靶，其特征在于，靶的非锆金属的总含量在坯料的0.001％-10％的范围内。
93.如权利要求85所述的溅射靶，其特征在于，靶的非锆金属的总含量为坯料的至少0.01％。
94.如权利要求85所述的溅射靶，其特征在于，靶的非锆金属的总含量为坯料的至少0.1％。
95.如权利要求85所述的溅射靶，其特征在于，靶的非锆金属的总含量为坯料的至少1％。
96.如权利要求85所述的溅射靶，其特征在于，靶的非锆金属的总含量为坯料的至少2％。
97.如权利要求85所述的溅射靶，其由Zr和Ti组成。
98.一种包含Zr和Ti的溅射靶，其中，Zr是靶的大多数元素，并且其呈现的浓度至少为靶的55％。
99.如权利要求98所述的溅射靶，其特征在于，在靶中锆的浓度为至少70％。
100.如权利要求98所述的溅射靶，其特征在于，在靶中锆的浓度为至少90％。
101.如权利要求98所述的溅射靶，其特征在于，在靶中锆的浓度为至少94％。
102.如权利要求98所述的溅射靶，其特征在于，在靶中锆的浓度为至少97％。
103.如权利要求98所述的溅射靶，其特征在于，在靶中锆的浓度为至少98％。
104.一种包含Ti和B的溅射靶，其中Ti是靶的大多数元素。
105.如权利要求104所述的溅射靶，其特征在于，在靶中钛的浓度为至少70％。
106.如权利要求104所述的溅射靶，其特征在于，在靶中钛的浓度为至少90％。
107.如权利要求104所述的溅射靶，其特征在于，在靶中钛的浓度为至少94％。
108.如权利要求104所述的溅射靶，其特征在于，在靶中钛的浓度为至少97％。
109.如权利要求108所述的溅射靶，其特征在于，在靶中B的含量大于5ppm。
110.如权利要求108所述的溅射靶，其特征在于，在靶中B的含量大于50ppm。
111.如权利要求108所述的溅射靶，其特征在于，在靶中B的含量大于500ppm。
112.如权利要求108所述的溅射靶，其特征在于，在靶中B的含量大于千分之一。
113.如权利要求104所述的溅射靶，其特征在于，在靶中Ti的含量小于98％。
114.如权利要求104所述的溅射靶，其特征在于，在靶中B的含量大于5ppm。
115.如权利要求104所述的溅射靶，其特征在于，在靶中B的含量大于50ppm。
116.如权利要求104所述的溅射靶，其特征在于，在靶中B的含量大于500ppm。
117.如权利要求104所述的溅射靶，其特征在于，在靶中B的含量大于千分之一。
118.如权利要求104所述的溅射靶，其由Ti和B组成。
全文摘要
本发明包括利用还原过程、电解过程和碘化物过程中的一个或多个过程形成钛基混合金属材料和锆基混合金属材料的方法。本发明还包括含有锆和选自由Al，B，Ba，Be，Ca，Ce，Co，Cs，Dy，Er，Fe，Gd，Hf，Ho，La，Mg，Mn，Mo，Nb，Nd，Ni，Pr，Sc，Sm，Sr，Ta，Ti，V，W，Y和Yb组成的组的一种以上元素的溅射靶。本发明还包括含有钛和硼的溅射靶。
文档编号C25C3/26GK1535326SQ01821294
公开日2004年10月6日 申请日期2001年10月17日 优先权日2000年10月24日
发明者S·P·图尔纳, J·E·格林, R·L·斯卡格林, Y·徐, S P 图尔纳, 斯卡格林, 格林 申请人:霍尼韦尔国际公司