一种钽溅射靶材、制备方法和磁控溅射方法与流程

本发明涉及溅射用靶材，特别涉及一种钽溅射靶材、制备方法和磁控溅射方法。

背景技术：

铜电阻小，作为集成电路布线材料非常有效，但由于铜本身是活泼金属，因此存在扩散至层间绝缘膜而导致污染和失效的问题，需要在铜布线与层间绝缘膜之间形成ta膜、tan膜等扩散阻挡层。

一般而言，ta膜、tan膜通过金属钽靶磁控溅射来成膜。目前，已知钽靶中含有的各种杂质、气体成分、密度、晶粒尺寸、晶体面取向等对溅射时ta膜、tan膜成膜速度、膜厚的均匀性、颗粒产生等成膜性能会造成影响。传统钽溅射靶材往往通过真空熔炼、锻造、退火、轧制、热处理等复杂工艺进行制备，这种制备工艺复杂、工序长，导致加工过程带入污染物，因而目前钽靶材至少存在纯度低、生产成本高、稳定性差的缺陷。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种钽溅射靶材、制备方法和磁控溅射方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种钽溅射靶材，所述钽溅射靶材的平均晶粒直径大于等于20mm，按质量百分比计，纯度大于等于99.995%。进一步地，所述钽溅射靶材的平均晶粒直径为20~150mm；

或/和所述钽溅射靶材的纯度大于等于99.9995%。

进一步地，所述钽溅射靶材中：每种高熔点金属杂质含量小于等于1ppm质量，每种间隙杂质小于等于0.02ppm质量,每种放射性杂质含量小于等于0.0005ppm质量，按质量百分比计，气体杂质总含量小于0.005%。

进一步地，所述高熔点金属杂质包括w、mo、zr中的至少一种，所述间隙杂质包括fe、ni、k、na、s、p中的至少一种；所述放射性杂质包括u或/和th，所述气体杂质包括o、n、c中的至少一种。

进一步地，所述钽溅射靶材的平均晶粒尺寸大于所述钽溅射靶材的厚度。

本发明实施例还提供了一种钽溅射靶材的制备方法，所述钽溅射靶材为上述的钽溅射靶材；所述制备方法包括步骤：

s10、利用熔炼方法生产钽坯料，所述钽坯料的平均晶粒大于等于20mm；

s20、对所述钽坯料进行切割加工，形成板坯；

s30、对所述板坯进行热处理，得靶材毛坯；

s40、对所述靶材毛坯进行精加工，得所述钽溅射靶材。

进一步地，步骤s10中，所述钽坯料的总杂质含量小于等于10ppm。

进一步地，步骤s20中，所述切割加工为锯切加工或线切割加工，所述板坯的厚度为5~15mm。

进一步地，步骤s30中，所述热处理的温度为1200~1400℃。

进一步地，步骤s30还包括：将所述热处理后的板坯和铜或铜合金背板经扩散焊接或热等静压焊接绑定成所述靶材毛坯。

本发明实施例还提供了一种磁控溅射方法，使用上述的钽溅射靶材形成溅射膜。

本发明实施例的钽溅射靶材具有较大尺寸的晶粒，降低了杂质含量，提高了钽溅射靶材的纯度。而且，大尺寸的晶粒使在制备钽溅射靶材时可减少锻造、轧制、热处理等压延加工工序，减少了工艺步骤，降低了生产成本。减少了质量波动，保证了钽溅射靶材的质量稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例一中钽溅射靶材进行xrd（x射线衍射）晶粒取向分析测试的hkl分布图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

本发明实施例提供了一种钽溅射靶材，钽溅射靶材的平均晶粒直径大于等于20mm，按质量百分比计，纯度大于等于99.995%。进一步地，钽溅射靶材的平均晶粒直径为20~150mm，例如：钽溅射靶材的平均晶粒直径为20~120mm，例如：钽溅射靶材的平均晶粒直径为50~150mm。进一步地，钽溅射靶材的纯度大于等于99.9995%。

再例如：钽溅射靶材的平均晶粒直径为20mm、25mm、30mm、40mm、50mm、55mm、60mm、70mm、85mm、90mm、100mm、110mm、120mm、130mm、150mm。

金属钽材料杂质元素主要分布在晶界上，本发明实施例通过提高钽溅射靶材的晶粒尺寸，降低了钽溅射靶材中的杂质含量，提高了钽溅射靶材的纯度。

本发明实施例中，钽溅射靶材中：每种高熔点金属杂质含量小于等于1ppm质量，每种间隙杂质小于等于0.02ppm质量,每种放射性杂质含量小于等于0.0005ppm质量，按质量百分比计，气体杂质总含量小于0.005%。

进一步地，所述高熔点金属杂质包括w、mo、zr中的至少一种，所述间隙杂质包括fe、ni、k、na、s、p中的至少一种；所述放射性杂质包括u或/和th，所述气体杂质包括o、n、c中的至少一种。

在本发明一个具体实施例中，钽溅射靶材中w含量小于等于1ppm质量，mo含量小于等于1ppm质量，zr含量小于等于1ppm质量；fe含量小于等于0.02ppm质量，ni含量小于等于0.02ppm质量，k含量小于等于0.02ppm质量，na含量小于等于0.02ppm质量，s含量小于等于0.02ppm质量，p含量小于等于0.02ppm质量；u含量小于等于0.001ppm质量，th含量小于等于0.001ppm质量；按质量百分比计，气体杂质，如：o、n、c总含量小于0.005%。进一步地，气体杂质，如：o、n、c总含量小于0.001%。经实验验证，按质量百分比计，本发明实施例的钽溅射靶材中各种金属杂质和间隙杂质元素的含量比常规钽溅射靶材低30-50%。

在本发明一些实施例中，钽溅射靶材的平均晶粒尺寸大于钽溅射靶材的厚度。保证了钽溅射靶材溅射面和溅射面垂直方向所有晶粒分布和晶体面取向一致，保证了钽溅射靶材寿命期成膜性能一致，提高了ta膜、tan膜等扩散阻挡层用薄膜成膜性能。

本发明实施例还提供了一种钽溅射靶材的制备方法，钽溅射靶材为上述的钽溅射靶材；制备方法包括步骤：

s10、利用熔炼方法生产钽坯料，钽坯料的平均晶粒大于等于20mm；

s20、对钽坯料进行切割加工，形成板坯；

s30、对板坯进行热处理，得靶材毛坯；

s40、对靶材毛坯进行精加工，得钽溅射靶材。

现有的制备方法中，需要经过锻造开坯、轧制等过程，本发明实施例的制备方法中可以省略锻造开坯、轧制等过程，工艺简单、生产过程易控，不易产生污染，所以更容易使钽溅射靶材的性能达到半导体电路扩散阻挡层用薄膜的技术要求。

进一步地，熔炼方法为真空电子束熔炼或其它真空定向凝固熔炼方法。钽坯料的平均晶粒优选为20~150mm，进一步地，钽坯料的平均晶粒优选为50~150mm。例如：钽坯料的平均晶粒为20mm、30mm、50mm、80mm、90mm、100mm、120mm、130mm、140mm、150mm。在本发明一些实施例中，步骤s10中，钽坯料的总杂质含量小于等于10ppm。进一步地，用高熔点金属杂质，如钨、钼、铌含量低的冶金级钽粉或/和钽条做原料，一般高熔点金属杂质含量控制在1-5ppm质量以内，原料通过2-3次真空电子束熔炼或其它真空定向凝固熔炼技术生产大晶粒钽坯料，如钽锭。

在本发明另一些实施例中，步骤s20中，切割加工为锯切加工或线切割加工，板坯的厚度为5~15mm。

在本发明其他一些实施例中，步骤s30中，热处理的温度为1200~1400℃。进一步地，步骤s30还包括：将热处理后的板坯和铜或铜合金背板经扩散焊接或热等静压焊接绑定成靶材毛坯。热处理用于消除应力，具体地，板坯经1200-1400℃真空热处理消除应力，把热处理后的板坯和铜或铜合金背板经扩散焊接或热等静压（hip）焊接绑定（bonding）成靶材毛坯，再经数控中心精密加工后制作成成品钽溅射靶材。

本发明实施例的大晶粒钽溅射靶材的制造不需要进行锻造开坯、轧制等过程，工艺简单、生产过程易控，不易对材料产生污染，降低了生产成本，产品质量稳定性好。

本发明实施例还提供了一种磁控溅射方法，使用上述的钽溅射靶材形成溅射膜。具体的磁控溅射方法可采用本领域技术人员所熟知的磁控溅射方法，在此不详述。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，可以理解的是，本发明并不限于以下实施例：

实施例一

用高熔点金属杂质，如钨、钼、铌含量不超过5ppm质量的的冶金级钽粉和钽条做原料，利用真空电子束熔炼的方法将上述原料制作成钽坯料，钽坯料的平均晶粒为22mm。钽坯料经锯切加工或线切割加工成8mm厚度的板坯，板坯经1300-1400℃真空热处理消除应力，把热处理后的板坯和铜背板经热等静压焊接绑定成靶材毛坯，再经数控中心精密加工后制作成成品钽溅射靶材。

所得钽溅射靶材平均晶粒直径为20mm，按质量百分比计，纯度为99.999%。所得的钽溅射靶材相应测试结果见表1。

将所得到的钽溅射靶材靶安装于溅射装置，并进行了溅射。并在基片上溅射成薄膜。测定基片上50点的薄膜电阻，计算出其标准偏差（σ），具体结构见表2。相应测试结果见表1和表2。

如图1所示，其中，hkl为米勒指数，即晶面指数。本实施例所得的钽溅射靶材的晶粒的择优取向晶面为（200）和（400），其中，晶面（200）分布比例集中在40%以上，晶面（400）分布比例集中在20%以上。

实施例二

以用高熔点金属杂质，如钨、钼、铌含量不超过5ppm质量的的冶金级钽条做原料，利用真空电子束熔炼的方法生产钽坯料，钽坯料的平均晶粒为100mm。钽坯料经锯切加工或线切割加工成10mm厚度的板坯，板坯经1200-1300℃真空热处理消除应力，把热处理后的板坯和铜合金背板经扩散焊接绑定成靶材毛坯，再经数控中心精密加工后制作成成品钽溅射靶材。

所得的钽溅射靶材平均晶粒直径为100mm，按质量百分比计，纯度为99.9996%。所得的钽溅射靶材相应测试结果见表1。

将所得到的钽溅射靶材靶安装于溅射装置，并在基片上溅射成薄膜。测定基片上50点的薄膜电阻，计算出其标准偏差（σ），具体结构见表22。

实施例三

以用高熔点金属杂质，如钨、钼、铌含量不超过5ppm质量的的冶金级钽条做原料，利用真空电子束熔炼的方法生产钽坯料，钽坯料的平均晶粒为80mm。钽坯料经锯切加工或线切割加工成10mm厚度的板坯，板坯经1200-1300℃真空热处理消除应力，把热处理后的板坯和铜合金背板经扩散焊接绑定成靶材毛坯，再经数控中心精密加工后制作成成品钽溅射靶材。

所得的钽溅射靶材平均晶粒直径为100mm，按质量百分比计，纯度为99.9998%。所得的钽溅射靶材相应测试结果见表1。

将所得到的钽溅射靶材靶安装于溅射装置，并在基片上溅射成薄膜。测定基片上50点的薄膜电阻，计算出其标准偏差（σ），具体结构见表2。相应测试结果见表1。

表1实施例一、实施例二和实施例三所得钽溅射靶材的测试结果

表2实施例、实施例二和实施例三中基片上薄膜厚度分步的变动

由以上可知，本发明实施例中，从溅射初期到后期薄膜内电阻分布的变动小（2.0%~2.4%），膜厚分布的变动小，成膜质量和一致性好。

综上所述，本发明实施例的钽溅射靶材，通过去除锻造、轧制等压延加工工序，可以大幅减少压延加工过程对钽靶材的二次污染，保证钽溅射靶材纯度。钽溅射靶材中晶粒尺寸大于靶材厚度，保证了钽溅射靶材溅射面和溅射面垂直方向所有晶粒分布和晶体面取向一致，保证钽溅射钽靶材寿命期成膜性能一致，提高了扩散阻挡层用薄膜成膜性能；本发明实施例中，通过提高钽靶的晶粒尺寸和控制晶体面取向，有效降低了钽溅射靶材的放电电压从而容易产生等离子体，并且抑制成膜中的电压漂移；钽溅射靶材的制备方法中，通过减少锻造、轧制、热处理等压延加工工序，可以大幅减少质量波动，降低加工成本。本发明实施例的钽溅射靶材经磁控溅射成膜测试，成膜性能达到半导体电路扩散阻挡层用薄膜的技术要求，成膜质量和一致性好。

根据本发明实施例的其他操作和相应的工艺步骤对于本领域技术人员而言都是可以理解并且容易实现的，因此不再详细描述。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。