JP2007197838A - スパッタリングターゲットとそれを用いた薄膜およびデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】Ｍｎを主成分とするスパッタリングターゲットにおいて、各種デバイスの高性能化等に伴って益々厳しくなってきているスパッタ膜への要求特性を満足させる。
【解決手段】Ｍｎを主成分とするスパッタリングターゲットの各部位の酸素量をターゲット全体の酸素量の平均値に対して±２０％以内とする。Ｍｎを主成分とするスパッタリングターゲットの各部位の窒素量をターゲット全体の窒素量の平均値に対して±４０％以内とする。Ｍｎを主成分とするスパッタリングターゲットの各部位の炭素量をターゲット全体の炭素量の平均値に対して±７０％以内とする。
【選択図】図２

Description

本発明はスパッタリングターゲットとそれを用いた薄膜およびデバイスに関する。

スパッタリングターゲットは、半導体分野、液晶分野、磁気記録分野等に幅広く使用されている。これら各種分野のデバイス、例えば半導体デバイス、液晶表示デバイス、磁気記録媒体や磁気ヘッドのような磁気記録用デバイス等の製品歩留りを大きく左右する因子として、スパッタリングターゲットから発生するダスト、膜厚分布、膜の組成分布等が挙げられる。

そこで、ターゲットから発生するダストの抑制、膜厚分布の均一性の向上、膜の組成分布むらの改善等を図るために、スパッタリングターゲットの改良に関する提案が数多くなされている。例えば、特許文献１にはターゲットを構成する結晶粒の粒径を微細化することによって、スパッタ膜の膜厚分布を改善することが記載されている。また、特許文献２にはターゲット組織を再結晶組織とすると共に、ターゲットを構成する結晶粒の平均粒径を５００μｍ以下とし、さらには各結晶粒の配向性を制御することによって、スパッタ膜の膜厚分布を均一化することが記載されている。
特公平３−７１５１０号公報 特開平６−２９９３４２号公報

しかしながら、例えば半導体デバイスの高集積化や高機能化、液晶表示デバイスの大面積化や高性能化、磁気記録用デバイスの高記録密度化や高性能化等が進むにつれて、各種デバイスの構成要素として用いられるスパッタ膜に対する要求特性は益々厳しくなってきているのが現状である。

具体的には、スパッタ膜の膜厚分布や膜組成をより均一化すると共に、各種機能材料として用いられるスパッタ膜の諸特性の向上および均一化を図ることが求められており、さらにダストの発生数をより低減することが望まれている。より具体的には、例えば配線膜として用いられる金属膜では、比抵抗の低減および膜内の比抵抗の均一化等が求められている。また、薄膜磁気ヘッドや磁気記録媒体の構成層として用いられる磁性膜（強磁性膜、反強磁性膜、軟磁性膜、硬磁性膜等）では、磁気特性の向上および膜内の磁気特性の均一化等が求められている。

本発明の目的は、各種デバイスの高性能化等に伴って益々厳しくなってきているスパッタ膜への要求特性を満足させることを可能にしたスパッタリングターゲット、より具体的にはスパッタ膜の膜厚分布や膜組成の均一化、各種機能材料として用いられるスパッタ膜の諸特性の向上および均一化、ダスト発生数の低減等を実現可能としたスパッタリングターゲットとそれを用いた薄膜およびデバイスを提供することにある。

本発明者らは、スパッタリングにより成膜された膜の均一性や各種膜特性を高めると共に、スパッタリング中に発生するダスト数の削減等を図るために、ターゲット中に存在する進入型不純物、すなわち酸素、窒素、炭素に注目して鋭意研究した結果、これら不純物元素量のターゲット各部位でのばらつきを低減することによって、従来達成することができなかった、優れた膜分布が得られると共に、各種膜特性を向上させることができ、さらにはターゲットから発生するダスト数の削減にも効果があることを見出した。

本発明はこのような知見に基づいてなされたものであって、本発明の第１のスパッタリングターゲットは、Ｍｎを主成分とするスパッタリングターゲットにおいて、ターゲットの各部位の酸素量がターゲット全体の酸素量の平均値に対して±２０％以内の範囲にあることを特徴としている。

本発明の第２のスパッタリングターゲットは、Ｍｎを主成分とするスパッタリングターゲットにおいて、ターゲットの各部位の窒素量がターゲット全体の窒素量の平均値に対して±４０％以内の範囲にあることを特徴としている。

本発明の第３のスパッタリングターゲットは、Ｍｎを主成分とするスパッタリングターゲットにおいて、ターゲットの各部位の炭素量がターゲット全体の炭素量の平均値に対して±７０％以内の範囲にあることを特徴としている。

本発明の薄膜は、本発明のスパッタリングターゲットを用いて形成されたことを特徴としている。本発明のデバイスは、本発明の薄膜を具備することを特徴としており、具体的には半導体デバイス、磁気記録用デバイス、液晶表示デバイス等が挙げられる。

本発明のスパッタリングターゲットによれば、従来達成することができなかった、優れた膜分布が得られると共に、各種膜特性の向上および均一化を図ることができ、さらにはダストの発生数を低減することが可能となる。このようなスパッタリングターゲットは、半導体デバイス用はもとより、記録デバイス用や液晶ディスプレイ用等の薄膜形成材として、その工業的価値は極めて高いものである。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。本発明の実施形態によるスパッタリングターゲットは、Ｍｎを主成分とするスパッタリングターゲットにおいて、その内部に存在する酸素、窒素、炭素等の進入型不純物の量を単に規定するだけではなく、これら進入型不純物の含有量のターゲット各部位でのばらつきを低減したものである。

すなわち、スパッタリングターゲット中に存在する酸素については、ターゲットの各部位の酸素量をターゲット全体の酸素量の平均値に対して±２０％以内としている。また、スパッタリングターゲット中に存在する窒素については、ターゲットの各部位の窒素量をターゲット全体の窒素量の平均値に対して±４０％以内としている。さらに、スパッタリングターゲット中に存在する炭素については、ターゲットの各部位の炭素量をターゲット全体の炭素量の平均値に対して±７０％以内としている。

このように、ターゲット中に存在する進入型不純物、すなわち酸素、窒素、炭素の各含有量のターゲット各部位でのばらつきを低減することによって、従来達成することができなかった、優れた膜分布が得られると共に、各種膜の諸特性を向上させることができ、さらにターゲットから発生するダスト数を削減することが可能となる。

スパッタリングターゲット中の酸素量にばらつきが存在していると、その結果として得られる膜の酸素量がばらつくことから、膜の抵抗値、熱伝導率、膜応力、さらに磁性材料では保磁力や透磁率等の磁気特性が影響を受け、これら各種特性の面内均一性が低下する。また、膜厚分布の均一性等も低下すると共に、ダストの発生数も増加する。このため、第１のスパッタリングターゲットにおいては、各部位の酸素量をターゲット全体の酸素量の平均値に対して±２０％以内としている。各部位の酸素量はターゲット全体の平均値に対して±１５％以内とすることがさらに好ましい。

ターゲット全体としての酸素量（平均値）は３００ｐｐｍ以下とすることが好ましい。ターゲット全体としての酸素量（平均値）が３００ｐｐｍを超えると、そのばらつきの影響よりも酸素の絶対量の方がより大きく影響するようになる。ターゲット中に存在する酸素は種々の金属材料に対して影響を及ぼすことから、第１のスパッタリングターゲットはＭｎを主成分とする金属材料に対して有効である。

スパッタリングターゲット中の窒素量にばらつきが存在していると、その結果として得られる膜の窒素量がばらつくことから、膜の抵抗値、熱伝導率、膜応力等が影響を受け、これら各種特性の面内均一性が低下する。膜厚分布の均一性等も低下すると共に、ダストの発生数も増加する。このため、第２のスパッタリングターゲットにおいては、各部位の窒素量をターゲット全体の窒素量の平均値に対して±４０％以内としている。各部位の窒素量はターゲット全体の平均値に対して±３０％以内とすることがさらに好ましい。

ターゲット全体としての窒素量（平均値）は３００ｐｐｍ以下とすることが好ましい。ターゲット全体としての窒素量（平均値）が３００ｐｐｍを超えると、そのばらつきの影響よりも窒素の絶対量の方がより大きく影響するようになる。ターゲット中に存在する窒素は、窒素との親和力が強い金属材料に対して影響を及ぼすことから、第２のスパッタリングターゲットはＭｎを主成分とする金属材料に対して有効である。

スパッタリングターゲット中の炭素量にばらつきが存在していると、その結果として得られる膜の炭素量がばらつくことから、膜の抵抗値、熱伝導率、膜応力等が影響を受け、これら各種特性の面内均一性が低下する。膜厚分布の均一性等も低下すると共に、ダストの発生数も増加する。このため、第３のスパッタリングターゲットにおいては、各部位の炭素量をターゲット全体の炭素量の平均値に対して±７０％以内としている。各部位の炭素量はターゲット全体の平均値に対して±５０％以内とすることがさらに好ましい。

ターゲット全体としての炭素量（平均値）は３００ｐｐｍ以下とすることが好ましい。ターゲット全体としての炭素量（平均値）が３００ｐｐｍを超えると、そのばらつきの影響よりも炭素の絶対量の方がより大きく影響するようになる。ターゲット中に存在する炭素は、炭素との親和力が強い金属材料に対して影響を及ぼすことから、第３のスパッタリングターゲットはＭｎを主成分とする金属材料に対して有効である。

スパッタリングターゲットは、上記した酸素量のばらつきに関する規定、窒素量のばらつきに関する規定、炭素量のばらつきに関する規定の少なくともいずれかを満足していればよいが、これらの全てを満たすことが特に好ましい。酸素量、窒素量、炭素量のばらつきに関する規定のうちの２つを満足させることで良好な結果が得られる場合もある。

本発明におけるターゲットの各部位の酸素量、窒素量および炭素量とは、図１に示すように、例えば円板状ターゲットの中心部（位置１）と、中心部を通り円周を均等に分割した４本の直線上の外周近傍位置（位置２〜９）およびその１／２の距離の位置（位置１０〜１７）からそれぞれ試料を採取し、これら１７点の試料の分析値を示すものとする。

各分析用試料の大きさは８×８×１０ｍｍとし、各試料の酸素量、窒素量および炭素量はそれぞれ５回測定を行った平均値とする。これら各位置での酸素量、窒素量および炭素量とそれぞれの平均値との変動幅が規定される。なお、酸素量は通常使用されている不活性ガス融解−赤外線吸収法で分析した値とする。窒素量は不活性ガス融解−熱伝導法で分析した値、炭素量は燃焼−赤外線吸収法で分析した値とする。

Ｍｎは酸素、窒素、炭素等との親和力が強いことから、酸素、窒素、炭素の影響を受けやすく、酸素量、窒素量、炭素量にばらつきが存在していると膜分布や膜特性などが不均一化しやすい。このようなことから、本発明のスパッタリングターゲットはＭｎを含む金属材料、さらにはＭｎを主成分とする金属材料からなるスパッタリングターゲットに対して特に好適である。

この実施形態のスパッタリングターゲットは、Ｍｎ単体やＭｎ合金のようなＭｎを主成分とする金属材料からなるスパッタリングターゲット、特に高純度Ｍｎ合金からなるスパッタリングターゲットに好適である。スパッタリングターゲットの具体的な用途としては、配線形成用ターゲット、磁性膜形成用ターゲット、記録膜形成用ターゲット等が挙げられる。さらに、スパッタリングターゲットはＤＶＤ−ＲＡＭ媒体用ターゲット等に対しても有効である。

なお、スパッタリングターゲット中の酸素、窒素および炭素以外の不純物元素については、一般的な高純度金属材のレベル程度であれは多少含んでいてもよいが、膜特性等を向上させる上で減少およびばらつきの低減を図ることが好ましい。

本発明のスパッタリングターゲットは、例えば以下のようにして作製することができる。ターゲット原料として溶解材を使用する場合には、溶解原料となる粗金属材中の酸素量、窒素量、炭素量を管理すると共に、これら各元素量を低減し得る真空溶解法（例えばＥＢ溶解）を適用して溶解する。真空溶解時においても、溶解開始時の雰囲気（真空度）を終了時まで維持し、溶解途中での酸素量、窒素量、炭素量の変動を抑制する。

溶解材（インゴット）は、通常、鍛造や圧延等の塑性加工が施され、さらに必要に応じて熱処理された後に、所望形状に加工されてターゲット材として使用される。この際、例えばインゴットに径方向と軸方向の熱間加工を繰り返し、合計の加工率を２００％以上とし、さらに加工後に対象材の融点近傍でアニール処理することによって、より一層酸素量、窒素量、炭素量のばらつきを抑制することができる。

また、ターゲット原料として焼結材を使用する場合には、焼結体の原料となる金属粉末中の酸素量、窒素量、炭素量を管理すると共に、粉末の混合時間、混合雰囲気、混合装置や混合メディアの材質等を適宜に設定および選択し、さらには焼結条件の最適化等を図ることによって、酸素量、窒素量、炭素量のばらつきを抑制する。

焼結材についても、通常、鍛造や圧延等の塑性加工が施され、さらに必要に応じて熱処理された後に、所望形状に加工されてターゲット材として使用される。この際に溶解材と同様な条件を選択することによって、より一層酸素量、窒素量、炭素量のばらつきを抑制することができる。

また、焼結材の場合に重要な要件は焼結時の条件であり、ホットプレスで焼結する場合には予め予圧なしで長時間脱ガス、脱炭素、脱窒素処理を行い、その後加圧することによって、酸素量、窒素量、炭素量のばらつきを抑制することができる。

本発明の実施形態による薄膜は、上述した実施形態のスパッタリングターゲットを用いて形成されたものである。本発明の実施形態によるデバイスは、そのような薄膜を配線、磁性膜、記録膜、記録媒体膜等として有している。デバイスの具体例としては、半導体デバイス、磁気記録用デバイス、液晶表示デバイス等が挙げられる。

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。

（実施例１、比較例１）
電界ＭｎとＰｔ原料とを所定量配合し、カルシアるつぼで真空溶解した後、直径４０ｍｍ、長さ５００ｍｍのインゴットを数本得た。これらを回転電極として使用して、ＲＥＰ法によりＰｔ₄₀Ｍｎ₆₀の組成を有する粉末を作製した。得られた粉末をふるいにかけ、粒径１００μｍ以下の粉末を用いて真空ホットプレスすることによって、直径２００ｍｍ×厚さ３ｍｍのＰｔ−Ｍｎ合金ターゲットを２枚作製した。なお、真空ホットプレス前に予圧なしで脱ガス、脱炭素、脱窒素処理を行った。２枚のターゲットは同一原料、同一条件で作製したものであり、同一の不純物分布を有しているものと見なすことができる。

このようにして得たＰｔ−Ｍｎ合金ターゲットのうち１枚は分析用として用い、前述した方法（図１参照）にしたがって各測定位置からそれぞれ分析用試料を切り出し、各試料について５回繰り返し分析を行い、その平均値を各部位における酸素量、窒素量、炭素量として求めた。表１に各部位における酸素量、窒素量、炭素量（それぞれ５回平均）とそれぞれの全体としての平均値を示す。また、表２に各部位における酸素量、窒素量、炭素量のそれぞれの全体平均に対する変動率［％］（＝（各部位の５回平均−全体平均）×１００／全体平均）を示す。

一方、比較例１として、以下のようにしてＰｔ−Ｍｎ合金ターゲットを作製した。まず、Ｍｎ粉末とＰｔ粉末を所定量配合し、真空中でナイロンポットにより混合した。この混合粉末を直接真空ホットプレスすることによって、直径２００ｍｍ×厚さ３ｍｍのＰｔ−Ｍｎ合金ターゲットを２枚作製した。２枚のターゲットは同一原料、同一条件で作製したものであり、同一の不純物分布を有しているものと見なすことができる。

比較例１のＰｔ−Ｍｎ合金ターゲットのうち１枚は分析用として用いて、実施例１と同様にして各部位における酸素量、窒素量、炭素量を測定した。また、それぞれの全体としての平均値、各部位における酸素量、窒素量、炭素量のそれぞれの全体平均に対する変動率を求めた。これらの値を表３および表４に示す。

次に、上述した実施例１および比較例１の各Ｐｔ−Ｍｎ合金ターゲットを用いて、それぞれ４インチのガラス基板上にＰｔ−Ｍｎ合金膜（膜厚約１００ｎｍ）を成膜し、ガラス基板上に付着したダストの数をパーティクルカウンターで測定した。それらの結果を図２に示す。また、Ｐｔ−Ｍｎ合金膜の比抵抗分布を測定した。その結果、実施例のＰｔ−Ｍｎ合金ターゲットはダストの発生数が少なく、かつ得られるＰｔ−Ｍｎ合金膜の比抵抗分布が向上することが分かった。

本発明のスパッタリングターゲットにおける酸素量、窒素量および炭素量の測定部位を示す図である。 本発明の実施例によるＰｔ−Ｍｎ合金ターゲットのダスト発生数を従来のＰｔ−Ｍｎ合金ターゲットと比較して示す図である。

Claims (14)

1. Ｍｎを主成分とするスパッタリングターゲットにおいて、
   ターゲットの各部位の酸素量がターゲット全体の酸素量の平均値に対して±２０％以内の範囲にあることを特徴とするスパッタリングターゲット。
2. 請求項１記載のスパッタリングターゲットにおいて、
   前記ターゲット全体の酸素量の平均値が３００ｐｐｍ以下であることを特徴とするスパッタリングターゲット。
3. Ｍｎを主成分とするスパッタリングターゲットにおいて、
   ターゲットの各部位の窒素量がターゲット全体の窒素量の平均値に対して±４０％以内の範囲にあることを特徴とするスパッタリングターゲット。
4. 請求項３記載のスパッタリングターゲットにおいて、
   前記ターゲット全体の窒素量の平均値が３００ｐｐｍ以下であることを特徴とするスパッタリングターゲット。
5. Ｍｎを主成分とするスパッタリングターゲットにおいて、
   ターゲットの各部位の炭素量がターゲット全体の炭素量の平均値に対して±７０％以内の範囲にあることを特徴とするスパッタリングターゲット。
6. 請求項５記載のスパッタリングターゲットにおいて、
   前記ターゲット全体の炭素量の平均値が３００ｐｐｍ以下であることを特徴とするスパッタリングターゲット。
7. 請求項１記載のスパッタリングターゲットにおいて、
   ターゲットの各部位の窒素量がターゲット全体の窒素量の平均値に対して±４０％以内の範囲にあることを特徴とするスパッタリングターゲット。
8. 請求項３または請求項７記載のスパッタリングターゲットにおいて、
   ターゲットの各部位の炭素量がターゲット全体の炭素量の平均値に対して±７０％以内の範囲にあることを特徴とするスパッタリングターゲット。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項記載のスパッタリングターゲットにおいて、
   高純度Ｍｎ合金からなることを特徴とするスパッタリングターゲット。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項記載のスパッタリングターゲットを用いて形成されたことを特徴とする薄膜。
11. 請求項１０記載の薄膜を具備することを特徴とするデバイス。
12. 請求項１１記載のデバイスにおいて、
    半導体デバイスであることを特徴とするデバイス。
13. 請求項１１記載のデバイスにおいて、
    磁気記録用デバイスであることを特徴とするデバイス。
14. 請求項１１記載のデバイスにおいて、
    液晶表示デバイスであることを特徴とするデバイス。

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