DE69223479T2

DE69223479T2 - Target zum reaktiven Sputtern sowie Verfahren zur Bildung eines Films unter Verwendung des Targets

Info

Publication number: DE69223479T2
Application number: DE69223479T
Authority: DE
Inventors: Akitoshi Hiraki; Kunichika Kubota
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1991-09-27
Filing date: 1992-09-24
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2012-09-25
Also published as: EP0534441A2; EP0534441A3; KR930006863A; DE69223479D1; US5489367A; KR970005420B1; EP0534441B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Target zur Verwendung beim reaktiven Sputtern zur Bildung eines Titannitrid-Dünnfilms, der als Sperrschichtmetall für Halbleiterbauelemente dient, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Films mit Hilfe des Targets.
Die LSI-Integration ist in den letzten Jahren beträchtlich verbessert worden, und die Linienbreite eines Schaltungsmusters ist, folglich viel feiner geworden. Ein LSI hat eine die Diffusion verhindernde Schicht, die gebildet ist, um die Reaktionsdiffusion zwischen Aluminium-Formelektroden und Silicium-Formelementen zu verhindern. Wenn die Linienbreite des Schaltungsmusters feiner wird, muß diese die Diffusion verhindernde Schicht ebenfalls eine geringere Dicke haben und außerdem einen hohen Schmelzpunkt, der hoch genug ist, um die Diffusion zu verhindern. Da die die Diffusion verhindernde Schicht einen Teil einer Elektrode bildet, wird vorzugsweise ein Material dafür unter Materialien mit möglichst geringem spezifischen Widerstand ausgewählt. Eine Titannitrid-Schicht ist derzeit als Material mit einem hohen Schmelzpunkt und einem niedrigen spezifischen Widerstand und einer bemerkenswert ausgezeichneten die Diffusion verhindernden Wirkung attraktiv.
Die obige Titannitrid-Schicht wird durch ein Verfahren zum reaktiven Sputtern unter Verwendung von reinem Titan als Target gebildet (Monthly Semiconductor World, 1992, 3p56). Bei diesem Verfahren zum reaktiven Sputtern wird ein Target aus reinem Titan mit geladenen Teilchen aus Stickstoffionen und Argonionen, die durch Glimmentladung gebildet werden, beschossen, wodurch nicht nur das Target nitridiert wird, sondern auch Titannitrid-Teilchen durch die Stärke des Beschusses freigesetzt werden und einen Titannitrid-Film auf einem dem Target gegenüberliegenden Silciumwafer bilden.
Ferner gibt es ein kürzlich vorgeschlagenes Verfahren, bei dem ein Target aus einer Titannitrid-Verbindung mit einem Stickstoff/Titan-Atomverhältnis von 1:1 hergestellt und dann nur mit Argionionen gesputtert wird, um einen Titannitrid-Film zu bilden (US-Patent 4 820 393).
Die obigen Verfahren zum Sputtern haben jedoch folgende Nachteile. Das Problem bei dem ersten Verfahren zum reaktiven Sputtern unter Verwendung von reinem Titan als Target besteht darin, daß es schwierig ist, das gesamte Titan in Titannitrid umzuwandeln, wenn das Titannitrid aus dem in eine Vorrichtung zum Sputtern eingeführten Stickstoff und dem Titantarget gebildet wird. Unter einigen Bedingungen enthalten gesputterte Teilchen, die physikalisch durch geladene Teilchen ausgetrieben werden, nicht umgesetztes Titan.
Wenn die gesputterten Teilchen nicht umgesetztes Titan enthalten, enthält der sich ergebende Dünnfilm restliches nicht umgesetztes Titan, und das nicht umgesetzte Titan in dem Dünnfilm und ein als Schaltmuster ausgebildeter Aluminium-Dünnfilm reagieren miteinander, was dazu führt, daß die beabsichtigte Verhinderung der Diffusion gestört wird und sich sogenannte Sperrschichtprobleme ergeben.
Da das obige nicht umgesetzte Titan einen höheren spezifischen Widerstand als Titannitrid hat, verursacht das nicht umgesetzte Titan einen Anstieg des spezifischen Widerstandes des Dünnfilms.
Außerdem variiert bei der Verwendung von reinem Titan als Target zum Sputtern das Stickstoff/Titan-Zusammensetzungsverhältnis der gesputterten Teilchen stark in Abhängigkeit von den Partialdrücken der Inertgase wie Stickstoff und Argon, die in eine Sputter-Vorrichtung eingeführt werden, dem Druck der umgebenden Atmosphäre und der elektrischen Leistung, die der Vorrichtung zugeführt wird. Die Zusammensetzung des sich ergebenden Titannitrid-Dünnfilms variiert ebenfalls. Es ist daher erforderlich, die Sputter-Bedingungen sehr genau zu kontrollieren, um einen Dünnfilm mit einem niedrigem Widerstand zu erhalten, dessen Stickstoff/- Titan-Atomverhältnis (im folgenden N/Ti bezeichnet) praktisch 1 ist.
Abgesehen von diesen Problemen ist das Verfahren zum reaktiven Sputtern unter Verwendung von reinem Titan als Target mit einem weiteren Problem verbunden, nämlich dem, daß die mittleren Teile und die am Rand liegenden Teile eines Films auf dem Wafer sich hinsichtlich des N/Ti unterscheiden, d.h. die Filmzusammensetzung inhomogen ist.
Die durch die Verwendung von reinem Titan als Target verursachten oben beschriebenen Probleme hängen mit dem Versuch zusammen, den gesamten zur Bildung der Zusammensetzung eines Dünnfilms erforderlichen Stickstoff in Form eines Stickstoffgases einzuführen.
Andererseits gibt es bei dem Verfahren, bei dem ein Titannitrid-Dünnfilm, dessen Zusammensetzung mit der Target- Zusammensetzung übereinstimmt, aus einem Titannitrid-Target mit einem N/Ti-Atomverhältnis, d.h. N/Ti, von 1 gebildet wird, das Problem, daß eine große Anzahl großer Teilchen, sogenannter "Partikel" auf dem sich ergebenden Titannitrid- Dünnfilm auftreten, so daß die Elektrodenmusterlinie unterbrochen wird.
Die Ursache für das Auftreten der obigen Teilchen ist folgende. Wenn versucht wird, ein Target aus einer stöchiometrischen Menge Titannitrid mit N/Ti von praktisch 1 und geringem Widerstand herzustellen, ist dieses Titannitrid so schlecht sinterbar, nämlich weil sein Schmelzpunkt sehr hoch ist, beispielsweise 3 290ºC, daß es schwierig ist, die Dichte eines Targets aus einer Titannitrid-Verbindung zu erhöhen. Dies bedeutet, daß feine Poren in dem Target vorhanden sind, und während des Sputterns kommt es zu einem abnormalen Austritt.
Ein weiteres Problem besteht darin, daß das Target aufgrund der Zerbrechlichkeit des stöchiometrischen Titannitrids in dem Target oder aufgrund einer schwachen Bindung zwischen Körnern aus stöchiometrischem Titannitrid das Target während des Herstellungsschrittes oder während der Verwendung abgeschält wird.
Sämtliche der obigen Probleme beruhen auf der schlechten Herstellbarkeit eines Targets mit N/Ti = 1 in der Zusammensetzung.
Außerdem gibt es einen Versuch, durch gewöhnliches Sputtern einen Dünnfilm, dessen Zusammensetzung mit einer Target- Zusammensetzung übereinstimmt, aus einem Target mit einer TiNx-Zusammensetzung, bei der x 0,1 bis 1,0 ist (offengelegtes japanisches Patent 63-259075), zu bilden.
Das obige Target wird schließlich zur Bildung eines Films mit der gleichen TiNx-Zusammensetzung wie der des Targets verwendet, jedoch nicht zur Bildung eines Films durch Umsetzung mit einem Stickstoffgas. Dies bedeutet, daß das obige Target zum unreaktiven Sputtern verwendet wird. Zur Bildung einer Sperrmetallschicht, die einen geringen Widerstand haben soll, muß in TiNx x praktisch 1 sein, und nach dem obigen Ausführungen bestehen für das obige Target einige der Probleme für Targets aus stöchiometrischem Titannitrid, nämlich daß die Sinterbarkeit sehr schlecht ist.
In J. Vac. Sci. Technol. (B 5 (6), Nov./Dez. 1987, S. 1741-1747) offenbaren T. Brat et al. ein TiN-Target mit stöchiometrischer Zusammensetzung und einer Struktur vom NaCl-Typ, das mit Argon oder einem Argon/Stickstoff-Gemisch zur Bildung eines Titannitrid-Films gesputtert wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Targets, das positiv mit einem Stickstoffgas umgesetzt wird und aufgrund der Umsetzung mit dem Stickstoffgas einen Titannitrid-Dünnfilm mit der richtigen Zusammensetzung ergibt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Targets zur Verwendung beim reaktiven Sputtern, das eine geringere Zerbrechlichkeit, eine verbesserte Spannbarkeit und eine gute Verarbeitbarkeit hat und bei dem der Variationsgrad der Zusammensetzung des zu bildenden Dünnfilms selbst dann gering ist, wenn die Bedingungen zum reaktiven Sputtern variieren, das nahezu frei von störenden Teilchen ist und bei der Herstellung selten abschält oder zerbricht, und ein Verfahren zur Bildung eines Films aus dem Target.
Figur 1 zeigt das integrierte Intensitätsverhältnis der Kristallphasen von in Beispiel 1 erhaltenen Proben, wenn der maximale Peak der Röntgendiffraktion als 100 %- Wert genommen wurde.
Figur 2 zeigt das integrierte Intensitätsverhältnis der Kristallphasen von in Beispiel 1 erhaltenen Proben, wenn der maximale Peak der Röntgendiffraktion als 100 %- Wert genommen wird.
Figur 3 zeigt die Veränderung der Filmbildungsgeschwindigkeit als Funktion der Sputterleistung, wenn ein Target aus der Probe 10 nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Figur 4 zeigt die Hysterese der Filmbildungsgeschwindigkeit, wenn bei einem Target aus der Probe 5 nach der Erfindung die Filmbildungsgeschwindigkeiten durch Veränderung der Sputterleistung bestimmt werden.
Figur 5 zeigt die Hysterese der Filmbildungsgeschwindigkeit, wenn bei einem Target aus der Probe 1 des herkömmlichen Beispiels die Filmbildungsgeschwindigkeiten durch Veränderung der Sputterleistung bestimmt werden.
Figur 6 zeigt die Beziehung zwischen der Target-Zusammensetzung und der Hysteresebreite D der Filmbildungsgeschwindigkeit.
Figur 7 zeigt die Homogenität der Zusammensetzung jedes erhaltenen Films, wenn Targets der vorliegenden Erfindung und ein Target des herkömmlichen Beispiels verwendet wurden.
Figur 8 zeigt die Beziehung zwischen der Target-Zusammensetzung und der relativen Dichte eines in Beispiel 2 erhaltenen Targets.
Figur 9 zeigt die Beziehung zwischen der Target-Zusammensetzung und der Anzahl an Teilchen mit einer Größe von 0,5 µm oder größer, wenn ein Film gebildet wird.
Figur 10 zeigt die Filmbildungsgeschwindigkeiten und die Hysterese des spezifischen Widerstandes eines erhaltenen Films, wenn ein Target aus der Probe 21 nach der vorliegenden Erfindung zur Bildung des Films verwendet wurde, indem die Sputterleistung verändert wurde.
Figur 11 zeigt die Filmbildungsgeschwindigkeiten und die Hysterese des spezifischen Widerstandes eines erhaltenen Films, wenn ein Target der Probe 19 nach der vorliegenden Erfindung zur Bildung des Films verwendet wurde, indem die Sputterleistung verändert wurde.
Figur 12 zeigt die Filmbildungsgeschwindigkeiten und die Hysterese des spezifischen Widerstandes eines erhaltenen Films, wenn ein Target der Probe 16 nach der vorliegenden Erfindung zur Bildung des Films verwendet wurde, indem die Sputterleistung verändert wurde.
Figur 13 zeigt die Filmbildungsgeschwindigkeiten und die Hysterese des spezifischen Widerstandes eines erhaltenen Films, wenn ein Target aus der Probe 14 des herkömmlichen Beispiels zur Bildung des Films verwendet wurde, indem die Sputterleistung verändert wurde.
Die Erfinder haben an Targets zur Bildung eines Titannitrid-Films durch ein Verfahren zum reaktiven Sputtern unter Verwendung eines Mischgases aus Argon und Stickstoff Untersuchungen vorgenommen und gefunden, daß durch reaktives Sputtern zur Bildung eines Films, bei dem das Target ein Stickstoff/Titan-Atomverhältnis N/Ti von weniger als 1 hat, der fehlende Stickstoff zum Erhalt eines Films mit einem höheren N/Ti-Verhältnis als das Target sich durch das Mischgas ergibt, d.h. der Stickstoff und das Titan des Targets und der Stickstoff aus dem Mischgas reagieren miteinander. Ferner haben die Erfinder gefunden, daß ein Target mit einem N/Ti-Atomverhältnis von 0,20 bis 0,95 kaum Teilchen bildet und sich ausgezeichnet zur Kontrolle der Filmzusammensetzung beim reaktiven Sputtern eignet.
Erfindungsgemäß wird ein Target, das aus Titan und Stickstoff besteht, zur Bildung eines hauptsächlich aus diesen zwei Elementen zusammengesetzten Films durch Sputtern bereitgestellt, wobei das Target dadurch gekennzeichnet ist, daß es ein Stickstoff/Titan-Atomverhältnis N/Ti von 0,35 bis 0,55 hat und als Hauptphase eine Phase vorn Ti&sub2;N- Typ aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bildung eines aus Titan und Stickstoff zusammengesetzten Films wie es in Anspruch 6 angegeben ist.
Nach der vorliegenden Erfindung kann ein beliebiges stickstoffhaltiges Gas als Sputtergas verwendet werden. Reiner Stickstoff kann ebenfalls verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf den Stand der Technik detaillierter beschrieben.
Beim herkömmlichen Verfahren zum reaktiven Sputtern unter Verwendung eines Targets aus reinem Titan werden reine Titanatome, die sich auf der Target-Oberfläche und einer Filmoberfläche befinden, und in Form eines Atmosphärengases eingeführter Stickstoff ionisiert und durch Plasrnabeschuß reagieren gelassen. Wie in einer Abhandlung über Feststoff Dünnfilme von D. K. Hohnke, D. J. Schmatz und M. D. Hurley, 118, 1984 angegeben, wird der Reaktionsablauf des obigen Verfahrens stark von den Bedingungen zum reaktiven Sputtern beeinflußt und insbesondere hinsichtlich der Geschwindigkeit durch die Bedingungen zur Einführung der Reaktanten bestimmt. Er ist daher stark von der Fließgeschwindigkeit des in die Sputter-Vorrichtung eingeführten Gases, der Zusammensetzung des Gases, dem Gasdruck zur Bildung des Films und der elektrischen Leistung, die dem Target zugeführt wird (nachstehend als elektrische Leistung zum Sputtern bezeichnet), welche die Menge an von dem Target freigesetzten Sputter-Teilchen beeinflußt, abhängig. Diese Faktoren sind jeweils abhängig und zeigen Hysterese hinsichtlich der Zusammensetzung des Dünnfilms.
Die elektrische Leistung zum Sputtern wird als ein Beispiel erklärt. Beim reaktiven Sputtern unter Verwendung eines Targets aus reinem Titan ergibt sich ein Film mit einer gewünschten Zusammensetzung, wenn während des Erhzhens der elektrischen Leistung ein spezifischer Leistungswert erreicht wird. Wenn aus bestimmten Gründen die elektrische Leistung steigt, hat dies zur Folge, daß die gleiche Zusammensetzung selbst dann nicht erzielt werden kann, wenn die elektrische Leistung durch Senken der elektrischen Leistung auf den gleichen Leistungswert wie vorher zurückgesetzt wird.
Die Hysterese, die bei Faktoren vorliegt, welche die Zusammensetzung kontrollieren, wird hauptsächlich folgendermaßen verursacht. Im Falle der Verwendung eines herkömmlichen reinen Titan-Targets differiert die Sputtergeschwindigkeit des auf der Target-Oberfläche zu bildenden Titannitrids während des reaktiven Sputterns stark von der Sputtergeschwindigkeit des reinen Titans im Target (die Fähigkeit gesputterte Teilchen unter den gleichen Sputter-Bedingungen freizusetzen), und das Titannitrid setzt gesputterte Teilchen schwerer frei. Aus diesem Grund variiert, wenn die elektrische Leistung zum Sputtern variiert, der nitridierte Zustand auf der Target- Oberfläche ebenfalls. Als Folge davon kommt es in einigen Fällen zu einer Abweichung von der gleichen Filmzusammensetzung, und zwar selbst dann, wenn wieder die gleichen Sputter-Bedingungen eingestellt werden.
Dagegen hat das Target zum reaktiven Sputtern der vorliegenden Erfindung die folgenden ausgezeichneten Eigenschaften. Da als Target ein sowohl Stickstoff als auch Titan enthaltendes Target verwendet wird, kann die Hysterese der die Zusammensetzung kontrollierenden Faktoren verringert werden, was beim reaktiven Sputtern unter Verwendung von reinem Titan unvermeidbar ist, und die Variationen hinsichtlich der Filmzusammensetzung, die von den Sputterbedingungen abhängig sind, nehmen ab. Als Ergebnis kann ein Film mit guter Reproduzierbarkeit gebildet werden.
Ferner wurde gefunden, daß durch die Verwendung des Targets zum reaktiven Sputtern der vorliegenden Erfindung die oben beschriebene Inhomogenität der Zusammensetzung des Dünnfilms vermieden wird, bei der es sich um ein Problem handelt, daß dem Verfahren zum reaktiven Sputtern unter Verwendung eines Targets aus reinem Titan inhrent ist. Dies bedeutet, daß bei der Verwendung eines Targets aus reinem Titan eine Umsetzung von Titan zu Titannitrid nicht nur am Target stattfindet, sondern außerdem auf der Substrat-Oberfläche sowie beim Flug der gesputterten Teilchen. Es bestehen Unterschiede hinsichtlich der Strecke, die Titanatome bis zu einer dem zentralen Teil des Targets gegenüberliegenden Oberfläche fliegen, und der Strecke, die Titanatome zu einem Teil am Rand des auf einem Wafer gebildeten Films fliegen. Aus diesen Gründen kommt es zur inhomogenen Verteilung der Zusammensetzung. Wenn dagegen das Target bereits Stickstoff enthält wie bei der vorliegenden Erfindung, werden sowohl Stickstoff als auch Titan als gesputterte Teilchen freigesetzt und nur der für eine bezweckte Zusammensetzung fehlende Stickstoff wird in Form eines Stickstoffgases in gasförmiger Phase zugeführt. Dadurch verringert sich die Variation der Filmzusammensetzung, die von der Flugstrecke abhängig ist, stark im Vergleich mit einem Fall, bei dem ein Target aus metallischem Titan verwendet wird, bei dem der gesamte Stickstoff in dem Film in Form von Stickstoff aus einer gasförmigen Phase zugeführt wird.
Es ist vorteilhaft, wenn das Stickstoff/Titan-Atomverhältnis N/Ti eines Targets auf 0,95 oder weniger beschränkt ist, nämlich aus den folgenden Gründen. Ein Target mit einem N/Ti-Verhältnis von hzher als 0,95 eignet sich nicht zum reaktiven Sputtern. Zu einem Titannitrid mit einem Stickstoff/Titan-Atomverhältnis in der Nähe des stöchiometrischen Wertes N/Ti = 1 kann kein Titan hinzugefügt werden, wenn das Target hergestellt wird. Irgendeine Wirkung des Titans im Hinblick auf die Verbesserung der Sinterungsdichte des Targets und die Erhöhung der Bindungsstärke zwischen den das Target bildenden Körnern, indem dem Titan eine Metallbinder-ähnliche Funktion verliehen wird, kann daher nicht erwartet werden. In diesem Sinne ist es sogar besser, Targets mit einem Stickstoff/Titan-Atomverhältnis N/Ti von 0,90 oder weniger zu verwenden.
Wenn die Dichte des Targets abnimmt, kommt es wie oben beschrieben aufgrund von feinen Poren in dem Target zum abnormalen Austritt und zur Bildung von Teilchen auf dem Dünnfilm Die Dichte des Targets der vorliegenden Erfindung beträgt vorzugsweise mindestens 95 % als relative Dichte.
Ferner ist das Stickstoff/Titan-Atomverhältnis aus dem folgenden Grund auf mindestens 0,20 beschränkt. Wenn ein Target mit einem Stickstoff/Titan-Atomverhältnis von weniger als 0,20 verwendet wird, ist die Stabilität der Dünnfilmzusammensetzung nahezu die gleiche wie die einer aus einem Target aus reinem Titan hergestellten Dünnfilmzusammensetzung., Daher werden Probleme verursacht, die denen ähneln, die sich durch Verwendung eines Targets aus reinem Titan ergeben.
Die durchschnittliche Kristall-Korngröße des Targets der vorliegenden Erfindung betrrgt vorzugsweise nicht mehr als 100 um. Wenn die obige durchschnittliche Kristall-Korngröße größer 100 µm ist, ist die von den Kristallorientierungen abhängige Sputter-Geschwindigkeit nicht mehr vernachläßigbar, es bildet sich eine ungleichmäßige Oberfläche auf der Target-Oberfläche und es werden mehr Teilchen gebildet.
Das Target zum reaktiven Sputtern der vorliegenden Erfindung ist durch Vermischen eines Titannitridpulvers und eines Titanpulvers in solchen Mengen, daß das spezifische Stickstoff/Titan-Verhältnis erreicht wird, und anschließendes Sintern des sich ergebenden Gemisches erhältlich.
Das Target zum reaktiven Sputtern der vorliegenden Erfindung ist ferner durch Vermischen eines Titannitridpulvers mit hydriertem Titan, das ausgezeichnet zu Pulver verarbeitet und deoxidiert werden kann, anstelle des Titanpulvers, worauf das sich ergebende Gemisch einer Dehydrierungsbehandlung unterzogen und dann das Gemisch gesintert wird, erhältlich.
In der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, ein Druck- Sinterverfahren wie ein isotaktisches Heißpreßverfahren oder ein Heißpreßverfahren anzuwenden, weil dadurch die Targetdichte verbessert wird.
Die Kristallphase eines Targets mit einem Stickstoff/Titan- Atomverhältnis N/Ti von 0,20 bis 0,95 ändert sich von einer Kristallstruktur vom "αTi-Typ" (im folgenden als "α-Ti-Typ" bezeichnet) zur Kristallstruktur vom Ti&sub2;N-Typ (im folgenden als "Ti&sub2;N-Typ" bezeichnet) und ferner vom Ti&sub2;N-Typ zum TiN- Typ mit einer Kristallstruktur vom NaCl-Typ (im folgenden als "NaCl-Typ" bezeichnet) mit einer Veränderung des N/Ti von 0,20 auf 0,95. Unter bestimmten Bedingungen gibt es eine δ'-Phase zwischen dem Ti&sub2;N-Typ und dem NaCl-Typ. An jeder Grenze zwischen zwei dieser Kristallphasen befindet sich eine Composit-Kristallphase. Die Kristallphase variiert in Abhängigkeit von den Bedingungen zum Heizen und Kühlen während des Verfahrens zur Herstellung des Targets. Hinsichtlich der Targets mit diesen Kristallphasen werden nachstehend die Merkmale eines Targets mit einer Kristallphase vom NaCl-Typ und die Merkmale eines Targets der vorliegenden Erfindung, das hauptsächlich eine Kristallphase vorn Ti&sub2;N-Typ aufweist, erklärt.
1. Target zur Verwendung beim reaktiven Sputtern, das im wesentlichen aus einer Kristallphase vom NaCl-Typ besteht.
Dieses Target hat ausgezeichnete Eigenschaften, weil die Hysterese jedes der die Zusammensetzung kontrollierenden Faktoren, die bei einem Verfahren zum reaktiven Sputtern unter Verwendung eines Targets aus reinem Titan unvermeidbar ist, nahezu überwunden wird, die Variation der Filmzusammensetzung, die von den Sputter-Bedingungen abhängt, stark abnimmt und Filme mit guter Reproduzierbarkeit hergestellt werden können.
Der Grund dafür ist folgender: Da die Kristallstruktur der Target-Zusammensetzung im wesentlichen aus einer einzelnen Phase vom NaCl-Typ gebildet ist, haben sowohl das Innere des Targets als auch die Target-Oberfläche, die mit einem Sputtergas nitridiert werden soll, w:hrend des reaktiven Sputterns identische Phasen wie z.B. Titannitrid vom NaCl- Typ. Dadurch kann vermieden werden, daß das Innere des Targets und die Target-Oberfläche Unterschiede hinsichtlich der Sputtergeschwindigkeit aufweisen, denn dieser Unterschied ist die Hauptursache für die Hysterese.
Außerdem haben die Erfinder gefunden, daß durch die Verwendung eines Sputter-Targets, das im wesentlichen aus einer Kristallphase von NaCl-Typ besteht, in beträchtlichem Ausmaß die Inhomogenität einer Dünnfilmzusammensetzung, die einem Verfahren zum reaktiven Sputtern unter Verwendung eines Targets aus reinem Titan inhärent ist, vermieden werden kann. Wenn ein Target aus reinem Titan verwendet wird, kommt es an der Target-Oberfläche nicht nur zu einer Umsetzung von Titan zu Titannitrid, sondern die gleiche Umsetzung findet auch dann statt, wenn die gesputterten Teilchen fliegen, und auf der Substratoberfläche, was zu einer inhomogenen Verteilung der Zusammensetzung führt. Wenn jedoch ein Target eine Titannitrid-Phase vom NaCl-Typ hat, ist für die gesputterten Teilchen keine Reaktion zwischen Stickstoff und Titan erforderlich, was bei den von einem Target aus reinem Titan gesputterten Teilchen der Fall ist, oder dieses ist bei den gesputterten Teilchen, sofern überhaupt, in einem geringeren Ausmaß erforderlich. Somit hat eine variierende Flugstrecke der gesputterten Teilchen vom Target zum Substrat nahezu keinen Einfluß auf die Filmzusammensetzung.
Zum Erhalt eines Dünnfilrns mit niedrigem Widerstand, wie er als Sperrschichtmetall für einen Halbleiter erforderlich ist, muß das Stickstoff/Titan-Verhältnis auf einen sehr engen Bereich von 1/1 eingestellt werden. Die Stabilität der Filmzusammensetzung ist dafür sehr wichtig. Mit dem Target mit einer Kristallphase vom NaCl-Typ kann stabil eine Zusammensetzung mit einem Stickstoff/Titan-Verhältnis von nahezu 1/1 erhalten werden.
Zum Erhalt eines Targets, dessen Kristallstruktur im wesentlichen vom NaCl-Typ ist, muß das Stickstoff/Titan- Atomverhältnis N/Ti mindestens 0,40 betragen.
Zum Erhalt eines Targets mit einer Kristallphase vom NaCl- Typ.
(1) ist es erforderlich, die Rohmaterialien so herzustellen, daß das spezifische Stickstoff/Titan-Atomverhältnis zum Erhalt einer Kristallstruktur vom NaCl-Typ eingestellt wird,
(2) ist es erforderlich, ein Titanpulver hinzuzugeben, um ein Target mit einer hohen Dichte zu erhalten,
(3) ist es erforderlich, ein Mischpulver aus Titannitrid/Titan in den NaCl-Typ umzuwandeln, und zwar durch Heißsintern und Abkühlen des sich ergebenden, gesinterten Körpers unter Beibehaltung einer Kristallstruktur vorn NaCl- Typ.
Dies bedeutet, daß das obige Target zum reaktiven Sputtern hergestellt werden kann, indem ein Titannitridpulver und ein Titanpulver so miteinander vermischt werden, daß das Stickstoff/Titan-Atomverhältnis N/Ti 0,40 bis 0,95 beträgt, das sich ergebende Gemisch durch Hitze gesintert wird, um seine Kristallphase in eine einzige Kristallphase, die im wesentlichen zum NaCl-Typ gehört, umzuwandeln und dann der sich ergebende gesinderte Körper zum Erhalt eines Targets abgekühlt wird, das eine einzige Kristallphase aufweist, die im wesentlichen zum NaCl-Typ gehört.
Außerdem kann das obige Titanpulver durch ein hydriertes Titanpulver ersetzt werden. Da ein hydriertes Titanpulver einem Titanpulver deutlich überlegen ist, ist durch Pulvern und Vermischen eines Titannitridpulvers und eines hydrierten Titanpulvers mit einer Kugelmühle oder einer Reibmühle ein sehr feines und homogen durchmischtes Pulver erhältlich. Wenn das Mischpulver fein und homogen ist, fördet das Titan, das als Metallbinder wirkt, den Sintervorgang und trägt dazu bei, daß eine hohe Dichte erreicht wird, da es fein und homogen dispergiert ist. Da die wechselseitige Diffusionsstrecke zwischen nitridiertem Titan, welches das Rohmaterial sein soll, und dem Titan abnimmt, kann außerdem leicht eine einzige Phase vom NaCl-Typ gebildet werden. Wenn ein hydrierten Titanpulver verwendet wird, muß das durchmischte und gepulverte Gemisch aus einem nitridierten Titanpulver und einem hydrierten Titanpulver einer Dehydrierungsbehandlung unterzogen werden. Die Dehydrierungsbehandlung kann während der Heißsinterbehandlung durchgeführt werden.
Wenn das Titanpulver als Rohmaterial oder das hydrierte Titanpulver eine große Teilchengröße hat, bleibt manchmal eine geringe Menge nicht umgesetztes Titan übrig. Es ist daher günstig, die Lösungsbehandlung des oben erhaltenen gesinterten Körpers in einer Inertatmosphäre durchzuführen. Durch diese Behandlung kann die Kristallphase des gesinterten Körpers in Titannitrid umgewandelt werden, dessen einzige Phase vom NaCl-Typ ist.
In der vorliegenden Erfindung liegt die Temperatur zur Lösungsbehandlung vorzugsweise zwischen 1 100ºC und 1 800ºC.
Wenn die obige Temperatur niedriger als 1 100ºC ist, wird kein Effekt erzielt, da keine Diffusion auftritt. Wenn sie 1 800ºC überschreitet, wachsen unerwünschterweise Kristallkörner außergewöhnlich groß, und die durchschnittliche Kristall-Korngröße wird 100 µm oder höher.
Durch eine vorläufige Formgebung durch ein kaltes isotaktisches Preßverfahren vor der Heißsinterung läßt sich wirksam eine hohe Dichte und eine einzige Phase erzielen. Dies bedeutet, daß mechanisch nitridiertes Titanpulver und das Titanpulver durch die vorläufige Formgebung unter Druck miteinander in Kontakt gebracht werden und das nitridierte Titan und das Titan sich gegenseitig stark durchmischen, wenn ein Gemisch daraus gesintert wird.
Zur Förderung der gegenseitigen Durchmischung von nitridiertem Titan und Titan und zum Erhalt eines gesinterten Körpers mit hoher Dichte wird vorzugsweise ein Druck- Sinterverfahren angewendet, beispielsweise ein isotaktisches Heißpreßverfahren oder ein Heißpreßverfahren.
2. Das Target nach der vorliegenden Erfindung mit einer Kristallphase vom Ti&sub2;N-Typ als Hauptphase
Ein Target, das als Hauptphase eine Phase vom Ti&sub2;N-Typ hat, die auftritt, wenn das N/Ti-Verhältnis in der Zusammensetzung im Bereich von 0,35 bis 0,55 liegt, hat insbesondere eine geringere Zerbrechlichkeit und eine verbesserte Spannbarkeit und kann leicht hergestellt werden. Außerdem kann, wenn ein derartiges Target verwendet wird, das Auftreten von Teilchen auf dem Dünnfilm verhindert werden, da es eine verbesserte gesinderte Dichte hat. Eine Phase, die vom Ti&sub2;N-Typ sein soll, kann leicht durch Röntgendiffraktion als einfacher tetragonaler Kristall identifiziert werden.
Obwohl es sich um eine Verbindung handelt, hat diese Phase vom Ti&sub2;N-Typ eine bessere Verarbeitbarkeit als eine Phase vom NaCl-Typ. Der Grund dafür ist folgender. Bei einer Phase vom NaCl-Typ erfolgt die Bindung der (100)-Ebenen, bei denen es sich um Spaltebenen handelt, hauptsächlich durch nichtmetallische (ionische oder kovalente) Bindung. Da jedoch die Bindung der äquivalenten (001)-Ebenen in einer Phase vom Ti&sub2;N-Typ charakteristisch eine Metallbindung zwischen Titanatomen ist, nimmt die Zerbrechlichkeit ab. Daher kann das Abschälen usw. während der Herstellung vermieden werden.
Ein Target mit einer Phase vorn Ti&sub2;N-Typ als Hauptphase hat im Vergleich mit einem Target mit einer Phase vom NaCl-Typ als Hauptphase eine deutlich erniedrigte Härte, und die Härte des Targets mit einer Phase vom Ti&sub2;N-Typ als Hauptphase kann auf eine Vickers-Härte von etwa 1 500 oder weniger, bei welcher es beim Schleifen der Oberfläche des Targets nur sehr selten zur Abschälung kommt, erniedrigt werden.
Diese Phase vom Ti&sub2;N-Typ ist außerdem besser sinterbar, da sie einen niedrigeren Schmelzpunkt hat als eine Phase vom NaCl-Typ. Dadurch kann verhindert werden, daß im gesinterten Körper Gasporen zurückbleiben, wodurch ein Film mit weniger Teilchen erhältlich ist.
Das Stickstoff/Titan-Atomverhältnis N/Ti des Ti&sub2;N-Targets der vorliegenden Erfindung ist auf nicht höher als 0,55 beschränkt, und zwar aus dem Grund, weil das Target eine Phase vom NaCl-Typ als Hauptphase hat, wenn das Stickstoff/Titan-Atomverhältnis höher als 0,55 ist.
Ferner ist das Stickstoff/Titan-Atomverhältnis N/Ti des Targets der vorliegenden Erfindung mit einer Ti&sub2;N-Phase als Hauptphase auf mindestens 0,35 beschränkt, und zwar aus dem Grund, weil das Target sonst eine α-Ti-Phase als Hauptphase hat und weil die Hysterese der Kurve der Filmbildungsgeschwindigkeit als Funktion der zugeführten elektrischen Leistung größer wird, welche Hystere die obige Kontrollierbarkeit der Filmbildung stört.
Die Hysterese des Targets mit einer Ti&sub2;N-Phase als Hauptphase ist beträchtlich kleiner als die eine Targets zum reaktiven Sputtern aus reinem Titan. Diese Hysterese ist jedoch ein wenig größer als die eines Targets mit einer Phase vom NaCl-Typ als Hauptphase.
Das Target mit einer Ti&sub2;N-Phase als Hauptphase kann eine α- Ti-Phase, eine Phase vom NaCl-Typ und eine δ'-Phase neben der Phase vom Ti&sub2;N-Typ als Hauptphase enthalten. Der Anteil der α-Ti-Phase, der Phase vom NaCl-Typ und der δ'-Phase in dem Target ist vorn Stickstoff/Titan-Atomverhältnis des Targets und der Temperatur und der Abkühlgeschwindigkeit beim Sintern abhängig.
Eine Zusammensetzung, die zum Ti&sub2;N-Typ wird, bildet einen NaCl-Typ, wenn sie sich in einem Hochtemperaturbereich oberhalb etwa 1 100ºC befindet. Zum Erhalt eines Targets mit einer Phase mit Ti&sub2;N-Typ als Hauptphase bei Raumtemperatur ist es erforderlich, die Zusammensetzung allmählich abzukühlen. Konkret ist es bevorzugt, die Zusammensetzung mit einer Geschwindigkeit von 500ºC/h, vorzugsweise 300ºC/h, auf 600ºC abzukühlen.

Beispiel 1

Die Herstellung von Targets und die Eigenschaften der Targets werden zuerst beschrieben und im Anschluß daran die Eigenschaften beim reakativen Sputtern.

1-1 Herstellung und Eigenschaften von Targets

Ein Titannitridpulver mit einem Stickstoff/Titan-Atomverhältnis N/Ti von 1, das 22,6 Gew.-% Stickstoff und als Restanteil Titan enthielt und eine Reinheit von mindestens 99,99 % und einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 40 um hatte, und ein reines Titanpulver mit einer Reinheit von mindestens 99,99 % und einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 40 µm, wurden in vorbestimmten Mischverhältnissen vermischt und die sich ergebenden Gemische jeweils mit einem V-Mischer durchmischt. Die sich ergebenden Mischpulver wurden jeweils in Kapseln mit einem inneren Durchmesser von 400 mm zum isotaktischen Heißpressen gegeben und 5 h bei 100 MPa und 1 250ºC isotaktisch heißgepreßt. Dann wurden die sich ergebenden gepreßten Gemische mit einer Geschwindigkeit von 300ºC/h auf 600ºC abgekühlt und dann auf Raumtemperatur abkühlen gelassen, so daß sich gesinterte Körper mit einem Durchmesser von 380 mm und einer Dicke von 10 mm mit einem Stickstoff/Titan-Atomverhältnis von 0 bis 1 ergaben.
In Tabelle 1 sind die N/Ti's, die relativen Dichten und die Volumenprozentsätze für die Kristall-Phase der so erhaltenen Targets angegeben. Sämtliche der gesinterten Körper mit einem N/Ti von 0,60 oder weniger hatten eine relative Dichte von mehr als 99 % und es ergibt sich, daß Targets mit einer hohen Dichte erhältlich sind, wenn N/Ti erniedrigt wird. Außerdem entsprechen die Proben 1 bis 13 in Tabelle 1 äquivalenten Proben 1 bis 13 in den Figuren 1 bis 6. Tabelle 1
Hinsichtlich des Phasenverhältnisses macht in der Region, in der das Stickstoff/Titan-Atomverhältnis 0,35 bis 0,55 beträgt, die Phase vom Ti&sub2;N-Typ mindestens 50 % aus und bildet die Hauptphase.
Das Phasenverhältnis wurde auf der Grundlage der durch Röntgendiffraktion erhaltenen relativen Peak-Intensitäten berechnet. Die Figuren 1 und 2 zeigen die Daten, welche die Grundlage für die Berechnung des Phasenverhältnisses waren. Die Diffraktionspeak-Intensitäten im Bereich von 2 θ = 38º bis 53º wurden bei 40 KV und 60 mA mit einer leichten Quelle für Co-Kα gemessen und sind in Form der integrierten Intensitäten, wenn der maximale Peak 100 % gesetzt wird, ausgedrückt. Diesen Daten wurden Indizes für die Kristallebenen nach dem in "Elements of X-Ray Diffraction", zweite Auflage, von B. D. Cullity beschriebenen Verfahren unter Bezugnahme auf Röntgen-Kristallidentifizierungskarten der ASTM (American Society for Testing and Materials) Nr. 5-0682 (α-Ti), 6-0642 (TiN), 17-386 (Ti&sub2;N) und 23-1455 (δ') zugeordnet. Dieses "TiN" bedeutet Kristallstruktur vom NaCl-Typ.
Die Figuren 1 und 2 zeigen Kristallphasen von gesinterten Körpern, die als Targets in den Beispielen der vorliegenden Erfindung und in den Vergleichsbeispielen verwendet wurden. Aus Figur 1 kann geschlossen werden, daß die Probe 4 zwei Phasen aufweist, nämlich a-Ti und Ti&sub2;N, das die Probe 6 eine einzige Phase aufweist, nämlich Ti&sub2;N, und daß die Probe 8 zwei Phasen aufweist, nämlich Ti&sub2;N und TiN. In Figur 2 hat Probe 3 eine einzige α-Ti-Phase und Probe 9 eine einzige TiN-Phase. Das Phasenverhältnis jeder der Proben 4 und 6 wurde nach den folgenden Gleichungen berechnet und ist in Tabelle 1 angegeben.
XTiN/Ti2N ist das Phasenverhältnis einer Mischphase aus TiN und Ti&sub2;N, ITiN(200) und ITiN(111) sind die Peak-Intensitäten von (111) und (200) einer TiN-Phase, ITi2N(111) ist die Peak-Intensität von (111) einer Ti&sub2;N-Phase und Iα- Ti(002) und Iα-Ti(011) sind die Peak-Intensitäten von (002) und (011) einer α-Ti-Phase. In den obigen Gleichungen (1) und (2) wurde eine zufällige Orientierung der Kristalle angenommen und das theoretische Intensitätsverhältnis, das in den obigen "Elements of X-Ray Diffraction" beschrieben ist, berechnet und die tatsächlichen Intensitätsverhältnisse korrigiert.
Die oben hergestellten gesinterten Körper wurden jeweils zu einer Größe von 300 mm im Durchmesser × 10 mm Dicke durch Bearbeitung mit elektrischen Entladungen geschnitten, worauf durch Schleifen der Oberfläche die Dicke von 10 mm auf 6 mm verringert wurde, so daß sich Targets mit einer vorbestimmten Abmessung ergaben. Tabelle 2 zeigt das Auftreten der Abschälung, wenn die Oberfläche jedes gesinterten Körpers mit einem Diamanten Nr. 120 als Schleifmittel bei einer Schleifdrehgeschwindigkeit von 1 200 Upm bei einer Zuführgeschwindigkeit von 12 m/min auf verschiedene Tiefen geschliffen wurde, und die Vickers- Härte jedes gesinterten Körpers. Die Angabe "Abschälung" bezieht sich hauptsächlich auf ein Abschälen der Oberfläche auf mindestens 0,1 mm Tiefe, das am Endteil einer geschliffenen Oberfläche auftritt und sich über die geschliffene Oberfläche ausbreitet, wenn weiter geschliffen wird. In Tabelle 2 wird die Abschälung als das Verhältnis einer durch Schleifen ausgelösten Abschälfläche zur Gesamtfläche einer geschliffenen Oberfläche ausgedrückt.
Bei allen Proben 9 bis 13, die eine einzige Phase vom NaCl- Typ hatten, mit Ausnahme von Probe 13, wurde Abschälung festgestellt, wenn die Proben bis zu einer Tiefe von mindestens 5 um abgeschliffen wurden, und diese hatten eine Härte von mindestens HV 1 500. Der Grund dafür, daß Probe 13 eine geringe Härte und eine ausgezeichnete Verarbeitbarkeit hatte, waren restliche Gasporen. Probe 13 war daher als Targetmaterial nicht geeignet.
Es ergibt sich, daß die Proben 1 bis 3, die eine einzige α- Ti-Phase aufweisen, und die Proben 4 bis 8, die als Hauptphase eine Ti&sub2;N-Phase haben, ausgezeichnet verarbeitbar sind, da ihre Kristalle die Eigenschaften eines Metalls haben, nämlich wie oben beschrieben, und sie eine Härte von nicht mehr als HV 1 500 haben. Tabelle 2
x ... Abschälfläche: 10 % oder mehr
Δ ... Abschälfläche: 10 % oder weniger
O ... Abschälfläche: nicht festgestellt

1-2 Eigenschaften beim reaktiven Sputtern

Von den hergestellten Target-Materialien wurden die Proben 1 bis 12 mit einer Dichte von mindestens 90 % jeweils in eine Vorrichtung zum Sputtern gestellt und die Bedingungen zur Herstellung eines Dünnfilms mit einem Stickstoff/Titan- Atomverhältnis von 1 bei einer Sputter-Leistung von 7 KW wie in Tabelle 3 angegeben bestimmt. Konkret wurden die Bedingungen durch die folgenden Verfahren festgelegt.
Beim reaktiven Sputtern wird die Dünnfilrnzusammensetzung durch das Reaktionsverhältnis von nicht umgesetzten Targetatomen festgelegt und dargestellt durch:
(N/Ti)F = C(N/Ti) × 1 + {(1-C(N/Ti)} × X (1)
(N/Ti)F ist das Atomverhältnis von Stickstoff zu Titan in einem Film, C(N/Ti) ist das Atomverhältnis von Stickstoff zu Titan im Target und X ist das Reaktionsverhältnis durch Filmbildung aus nicht umgesetztem Titan, wenn etwas anderes als Titannitrid mit einer stöchiometrischen Menge N/Ti = 1 als nicht umgesetztes Titan angenommen wird. Dieses Reaktionsverhältnis wird bestimmt durch den Abgleich der Zuführung von Reaktionsgas und nicht umgesetzten Titanatomen bestimmt und wird daher folgendermaßen dargestellt:
X = K × Q × C(N2)/{1-C(N/Ti)} × V (2)
wobei K eine Gerätekonstante ist, Q die Menge des zugeführten Gases ist, C(N2) der Volumenprozentsatz des N&sub2;- Gases im eingeführten Gas (Ar + N&sub2;) ist, und V die Filmbildungsgeschwindigkeit ist. Die angestrebte Filmzusammensetzung ist (N/Ti)F = 1 und somit ist X = 1 gemäß Gleichung (1). Dies wird in Gleichung (2) substituiert, so daß sich Gleichung (3) ergibt.
K = {1-C(N/Ti)}V/Q × C(N2) (3)
Die rechte Seite der Gleichung (3) zeigt eine bestimmbare Menge, und daher kann die Gerätekonstante K bestimmt werden. Die in diesem Beispiel verwendete Gerätekonstante betrug K = 0,365 nm/Pa m³ (3,65 Å/Pa m³). Auf der Grundlage von Gleichung (3), wobei die Filbildungsgeschwindigkeit V 9 nm/min (90 Å/min) betrug, wurde eine Gas-Zusammensetzung festgelegt, welche die für die Vorrichtung erforderlichen Bedingungen hinsichtlich des Gadruckes und der Gasflußgeschwindigkeit erfüllt. Die praktisch erzielte Filmbildungsgeschwindigkeit ist in Tabelle 4 angegeben. Die anderen Sputter-Bedingungen sind ebenfalls in Tabelle 4 angegeben.
Die Figuren 3, 4 und 5 zeigen die Anderungen der Filmbildungsgeschwindigkeiten, die mit einem Target des NaCl- Typs (Probe 10, Vergleichsbeispiel), einem Target des Ti&sub2;N- Typs (Probe 5 der Erfindung) und einem Target mit α-Ti- Phase des herkömmlichen Beispiels 1 als Funktion der Sputter-Leistungen bestimmt wurden. Mit Ausnahme des Targets vom NaCl-Typ (Probe 10) zeigten die Targets in diesen drei Figuren das Phrnomen der sogenannten Hysterese, bei dem die Filmbildungsgeschwindigkeit eine Funktion der Leistung ist, wenn die Leistung ansteigt, aber nicht den gleichen Verlauf nimmt, wenn die Leistung abnimmt. Im Gegensatz dazu ist bei der Verwendung von Probe 5 der vorliegenden Erfindung die Breite der Hysterese, welche die Kontrollierbarkeit der Filmbildung beeinträchtigt, viel schmaler als die beim herkömmlichen Beispiel 1.
Wegen der Annahme, daß der Bereich der Filmbildungsgeschwindigkeit, die unterschiedlich ist, wenn die Leistung erhöht wird und wenn die Leistung erniedrigt wird, nämlich wie in den Figuren 4 und 5 dargestellt, ein Hysteresebereich D war, wurde für die Targets der Proben 1 bis 12 der Bereich D bestimmt. Figur 6 zeigt die Ergebnisse. Wie in Figur 6 gezeigt, wird mit ansteigender Stickstoffmenge die Hysteresebreite enger. Insbesondere wurde bei den Proben 3 und 4, deren Hauptphase der Ti&sub2;N-Typ ist, die Hysteresebreite deutlich enger, und die Targets mit einer Phase vom Ti&sub2;N-Typ nach der vorliegenden Erfindung hatten eine ausgezeichnete Kontrollierbarkeit der Filmbildung. Außerdem verschwindet die Hysterese bei Targets mit einer Phase vom NaCl-Typ.
Figur 6 zeigt folgendes: Beim reaktiven Sputtern ist ein Target vom NaCl-Typ hinsichtlich der Kontrollierbarkeit der Filmbildung am überlegensten und ein Target vom Ti&sub2;N-Typ kommt ihm nahe.
Probe 1 des herkömmlichen Beispiels, die Proben 4 und 6 nach der vorliegenden Erfindung und Probe 10 (Vergleichsbeispiel) wurden als Targets zur Bildung von Dünnfilmen bei einer EPMA-Beschleunigungsspannung von 15 KV verwendet. Die Dünnfilme wurden hinsichtlich der Verteilungen der Zusammensetzung untersucht, und zwar wurde der rechts unter dem Zentrum jedes Targets befindliche Punkt als Ausgangspunkt benutzt. Figur 7 zeigt die Ergebnisse. Wie in Figur 7 gezeigt, steigt bei der Verwendung von Beispiel 1 mit einer einzigen α-Ti-Phase der Stickstoffgehalt an, wenn der Abstand vom Punkt rechts unterhalb des Zentrums des Targets ansteigt, oder es war schwierig, eine homogene Dünnfilmzusammensetzung zu erhalten.
Andererseits ergaben die Proben 4 und 6 mit einer Ti&sub2;N- Phase als Hauptphase nach der vorliegenden Erfindung und Probe 10 mit einer einzigen Phase vom NaCl-Typ homogene Dünnfilmzusammenset zungen. Tabelle 3
* 1 Å = 0,1 nm Tabelle 4

Beispiel 2

Die Herstellung von Targets und die Eigenschaften der Targets werden zuerst beschrieben, und dann werden die Eigenschaften beim reaktiven Sputtern beschrieben.

2-1 Herstellung und Eigenschaften von Targets

Ein Titannitridpulver mit einem Stickstoff/Titan-Atomverhältnis N/Ti von 1, das 22,6 Gew.-% Stickstoff und als Restanteil Titan enthielt und eine Reinheit von mindestens 99,99 % und einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 40 µm hatte und ein hydriertes Titanpulver mit einer Reinheit von mindestens 99,99 % und einer durchschnittlichen Teilchengröße von 40 µm wurden im N/Ti-Mischverhältnis von 0 bis 1,0 vermischt und die sich ergebenden Gemische jeweils mit einer Kugelmühle durchmischt. In dem Mischverhältnis bezieht sich ein N/Ti von 0 auf den Fall, in dem ein hydriertes Titanpulver alleine als Rohmaterial verwendet wurde und ein N/Ti von 1 bezieht sich auf den Fall, in dem ein Titannitridpulver allein als Rohmaterial verwendet wurde. Die sich ergebenden Mischpulver wurden jeweils in Kapseln mit einem inneren Durchmesser von 133 mm zur Verwendung beim isotaktischen Heißpressen eingeführt und bei 100 MPa 5 h bei 1 250ºC isotaktisch heißgepreßt Dann wurden die sich ergebenden gepreßten Gemische mit einer Geschwindigkeit vonn 500ºC/h unter Erhalt von gesinterten Körpern mit einem Durchmesser von 75 mm und einer Dicke von 6 mm und einem N/Ti von 0 bis 1 abgekühlt. Außerdem wurden die gesinterten Körper bis zu einer Tiefe von 2 um weiterverarbeitet, wobei es nicht zum Abschälen kam, wenn die gesinterten Körper wie in Beispiel 1 an der Oberfläche geschliffen wurden.
Figur 8 zeigt die Beziehung zwischen dem N/Ti der erhaltenen Targets und den relativen Dichten davon.
Figur 8 zeigt, daß die Dichte deutlich abnimmt, wenn das Stickstoff/Titan-Atomverhältnis 0,95 übersteigt. Die Kristallphase jedes der oben erhaltenen Targets wurde durch Röntgendiffraktion bestimmt. Außerdem wurden die durchschnittlichen Kristall-Korngrößen der Targets bestimmt, indem sie geätzt wurden. Tabelle 5 zeigt die Ergebnisse. In Beispiel 1 betrug der Bereich für das N/Ti-Atomverhältnis, in dem eine zur wirksamen Vermeidung der Hysterese geeignete einzige Phase vom NaCl-Typ gebildet wurde, 0,6 bis 1,0, wohingegen der Bereich für das N/Ti-Atomverhältnis in diesem Beispiel auf 0,4 bis 1,0 aufgeweitet wurde. Dies liegt daran, daß der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Pulvers vor dem HIP feiner war und sich eine stärkere Homogenität in der Zusammensetzung ergab, weil gute pulverbares hydriertes Titan und die Kugelmühle zum Durchmischen und Pulvern verwendet wurde.
Ein weiterer zum Obigen beitragender Faktor war, daß kleinere HIP-Kapseln zur Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit verwendet wurden, und es ergibt sich, daß der Bereich für das N/Ti-Atomverhältnis zur Bildung einer Zusammensetzung vom NaCl-Typ, durch welche die Filmbildung kontrollierbar ist, durch Kontrolle der Abkühlbedingungen breiter wird.

2-2 Eigenschaften beim reaktiven Sputtern

Die in Beispiel 2 erhaltenen Targets wurden zur Bildung von Filmen mit einer Dicke von 100 um (1 000 Å) auf Wafern mit einem Durchmesser von 6 Zoll in Gegenwart eines Sputtergases, das ein Mischgas aus Argon und Stickstoff enthielt, verwendet. Tabelle 5
Die Bedingungen zur Filmbildung wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 eingestellt. In diesem Fall betrug die Sputterleistung 400 W und die Gerätekonstante 4,67 nm/Pa m³ (46,7 Å/Pa m³).
Tabelle 6 zeigt die konkreten Bedingungen und Tabelle 7 übliche Bedingungen, die mit den Targets nichts zu tun haben. Das eingeführte Gas war ein Mischgas aus Argon und Stickstoff, und Tabelle 6 zeigt den Stickstoffgehalt in Volumenprozent.
Tabelle 6 zeigt die Filmbildungsgeschwindigkeiten und die spezifischen Widerstände der gebildeten Filme. Nach dem Sputtern haben sämtliche Filme einen niedrigen spezifischen Widerstand von nicht mehr als 100 µΩcm. Sämtliche Filme hatten eine goldene Farbe, was der Farbton ist, der sich ergibt, wenn N/Ti gleich 1 ist. Tabelle 6
* 1 Å = 0,1 nm Tabelle 7
Figur 9 zeigt die Beziehung zwischen der Target-Zusammensetzung und der Anzahl Teilchen mit einer Größe von mindestens 0,5 µm, die in Dünnfilmen mit einer Dicke von 1 µm (10 000 Å), die auf Wafern mit einem Durchmesser von 152,4 mm (6 Zoll) unter den obigen Bedingungen gebildet werden, beobachtet wurden.
Figur 9 zeigt, daß die Kristallphase mit einem Stickstoff/Titan-Atornverhältnis von 0,4 bis 0,95, bei der die Kristallphase eine einzige Phase vom NaCl-Typ ist, ausgezeichnet das Auftreten von Teilchen verhindert. In dem Bereich, in dem das Stickstoff/Titan-Atomverhältnis 0,95 überschreitet, steigt die Anzahl Teilchen an, und zwar zusammen mit einer Abnahme der Dichte, nämlich wie in Figur 1 gezeigt, und es ergibt sich, daß eine Abnahme der Targetdichte eine Erhöhung der Anzahl an Teilchen verursacht. Außerdem steigt die Anzahl der Teilchen an, wenn das Stickstoff/Titan-Atomverhältnis 0,3 oder weniger beträgt. Es wird davon ausgegangen, daß dieser Anstieg durch einen Anstieg der Kristall-Korngröße verursacht wird.
Die Proben 19 bis 23 mit einem Stickstoff/Titan-Atomverhältnis von 0,5 bis 0,90 hatten eine einzige Phase vom NaCl-Typ, eine durchschnittliche Kristall-Korngröße von 100 µm oder weniger und einen relative Dichte von mindestens 95 %, und insbesondere war die Anzahl an Teilchen in diesen Proben sehr gering.
Targets mit einem Durchmesser von 75 mm und einer Dicke von 6 mm, die aus den Proben 19 und 21 mit einer einzelnen Phase vom NaCl-Typ und aus den Proben 14 und 16 mit einer α-Ti-Phase als Hauptphase hergestellt wurden, welche alle in Tabelle 5 angegeben sind, wurden hinsichtlich ihrer Filmbildungsgeschwindigkeit als Funktion der Sputterleistung untersucht, und die sich ergebenden Dünnfilme wurden hinsichtlich Änderungen des spezifischen Widerstandes als Funktion der Sputterleistung untersucht. Die Sputterbedingungen, die Zusammensetzung des eingeführten Gases und die Fließgeschwindigkeit des eingeführten Gases wurden wie in Tabelle 6 angegeben eingestellt, und die anderen Bedingungen wurden wie in Tabelle 7 angegeben eingestellt.
Die Figuren 10 und 11 zeigen die Beziehungen zwischen der Sputterleistung und der Filmbildungsgeschwindigkeit und der Sputterleistung und dem spezifischen Widerstand bei den Proben 21 und 19, die vom NaCl-Typ sind. Figur 12 zeigt die obigen Beziehungen für Probe 16, die eine α-Ti-Phase als Hauptphase hat. Figur 13 zeigt die obigen Beziehungen für Probe 14, bei der es sich um ein herkömmliches Target aus reinem Titan handelt. In jeder der Figuren 10 bis 13 zeigt der nach rechts zeigende Pfeil den Verlauf, wenn die Leistung ansteigt, und der nach links zeigende Pfeil den Verlauf, wenn die Leistung abnimmt. Beim reaktiven Sputtern unter Verwendung von Probe 14 aus reinem Titan als Target kam es zum pHänomen der Hysterese bei einer Leistung von etwa 200 bis 400 W, wodurch sich die Filmbildungsgeschwindigkeit bei Erhöhung der Leistung und bei Abnahme der Leistung um das zwei- bis dreifache unterschieden.
Ferner tritt hinsichtlich der Beziehung zwischen der Sputterleistung und dem spezifischen Widerstand eines Films bei Probe 14 als herkömmlichern Beispiel das Phänomen der Hysterese auf, wodurch der spezifische Widerstandswert bei Erhöhung der Leistung sich von dem bei Erniedrigung der Leistung um eine Leistung von etwa 200 bis 400 W unterschied.
Andererseits tritt bei der Verwendung der Proben 21 und 19 mit einer einzigen NaCl-Phase das Phänomen der Hysterese nicht auf. Ferner ergab sich, daß die Targets nach der vorliegenden Erfindung außerdem Filme mit einem spezifischen Widerstand von nicht mehr als 100 µΩcm in einem breiteren Bereich ergaben.
Außerdem wurde bei der Probe 16 mit einer α-Ti-Phase als Hauptphase die Hysterese im Vergleich mit einer Probe mit einer einzelnen NaCl-Phase schlechter vermieden, wohingegen sich eine geringere Hysterese als bei Probe 14 aus reinem Titan ergab.
Die obigen Ergebnisse zeigen, daß durch die Verwendung eines Targets vorn NaCl-Typ gleichzeitig die Probleme hinsichtlich (1) der Hysterese und (2) eines engen Bereichs mit niedrigem Widerstand gelöst werden, bei denen es sich um Probleme handelt, die bei der Kontrolle der Bedingungen für das bestehende Verfahren zum reaktiven Sputtern unter Verwendung eines Targets aus reinem Titan auftreten.
Das Target der vorliegenden Erfindung hat charakteristische Eigenschaften, die es zur Bildung eines Sperrschichtmetalls für einen Halbleiter verwendbar macht, weil hinsichtlich der die Zusammensetzung kontrollierenden Faktoren wie der Sputterleistung usw. zur Bildung eines Titannitrid-Filrns nur in geringem Ausmaß Hysterese auftritt, die Filmzusammensetzung in Abhängigkeit von den Bedingungen zum reaktiven Sputtern weniger variiert, ein Film mit einem Stickstoff/Titan-Atomverhältnis von nahezu 1 und einem geringen Widerstand erhältlich ist, die Dünnfilmzusammensetzung nicht von der Position des Targets abhängt und ein Dünnfilm mit einer bemerkenswert homogenen Zusammensetzung erhältlich ist.
Von den Targets ist ein Target mit einer Kristallstruktur vom NaCl-Typ besonders zur Kontrolle der Filmbildung beim reaktiven Sputtern erwünscht, da die Hysterese, die ein Problem bei der Bildung eines Films darstellt, nahezu vollständig vermieden werden kann. Obwohl eine geringe Hysterese hervorgerufen wird, hat das Target der vorliegenden Erfindung mit einer Phase vom Ti&sub2;N-Typ als Hauptphase, eine hohe Zugfestigkeit, wird bei der Herstellung schwer abgeschält und kann ausgezeichnet zur Massenproduktion verwendet werden.

Claims

1. Target, das aus Titan und Stickstoff besteht, zur Bildung eines Films, der hauptsächlich aus diesen zwei Elementen zusammengesetzt ist, durch Sputtern, dadurch gekennzeichnet, daß das Target ein Stickstoff/Titan-Atomverhältnis N/Ti von 0,35 bis 0155 und als Hauptphase eine Phase vom Ti&sub2;N-Typ aufweist.

2. Target nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner eine Kristallstrukturphase vom NaCl-Typ und/oder eine α-Ti-Phase enthält.

3. Target nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Vickers-Härte von nicht mehr als 1 500 hat.

4. Target nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine relative Dichte von mindestens 95 % hat.

5. Target nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine durchschnittliche Kristall-Korngröße von nicht mehr als 100 µm hat.

6. Verfahren zur Bildung eines Films, der aus Titan und Stickstoff zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Target nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in Gegenwart eines stickstoffhaltigen Sputtergases gesputtert wird, wodurch ein Film gebildet wird, dessen Stickstoff/Titan-Atomverhältnis N/Ti größer ist als das Stickstoff/Titan-Atomverhältnis des Targets, und zwar vorzugsweise größer als 0,95.