JP3073764B2 - Ti―Wターゲット材およびその製造方法 - Google Patents

Ti―Wターゲット材およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は半導体デバイスに使用されるバリアメタル層
の形成等に用いられるTi−Wターゲット材およびその製
造方法に関するものである。
[従来の技術] 近年のLSIの高集積化に伴い、Al配線のマイグレーシ
ョン対策としてバリアメタル層が必要になってきた。
バリアメタル層としては、Ti−W薄膜(代表的にはT
i:10wt%、残部Wの組成を有する。)が多く使用され、
その形成法としてはターゲットをスパッタリングする方
法が採用されている。
この薄膜用Ti−Wターゲット材は、一般にW粉末とTi
粉末とを混合し、ホットプレスすることにより製造され
ている。
しかしながら、従来のTi−Wターゲットの原料となる
Ti粉末はもともと酸素含有量が高く、また、Ti粉末をよ
り細かく粉砕する時の酸素ピックアップにも起因して、
酸素含有量の多いターゲットしか得られていなかった。
このような酸素含有量の多いターゲットでは、スパッ
タリング中の酸素の放離により、ターゲットの割れ、生
成薄膜の酸化、薄膜品質のばらつき等が生じ好ましくな
い。
最近、このようなTi−Wターゲットの酸素含有量を減
らす方法として、米国特許4,838,935号公報および特開
昭63−303017号公報等にTi粉末の代わりに水素化したTi
粉末を用いる方法が開示された。
この水素化したTi粉末の使用は、それ自体酸化防止に
有効であるとともに、Ti粉末に比べ破砕性が良好である
ため、粉砕時の酸素ピックアップ量を減ずることができ
るものである。
このようにして、Ti粉末として水素化したTi粉末を使
用することにより、900ppm以下という低酸素濃度のTi−
Wターゲットが得られるようになった。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、最近の半導体製品の電極パターンの高
密度・細線化に伴い、前述の低酸素濃度のTi−Wターゲ
ットを用いてスパッタリングしても、スパッタリングに
より成膜した薄膜に巨大粒子、いわゆるパーティクルが
付着し、電極配線を断線させるという新たな問題が生じ
てきた。
このパーティクルの発生はTi−Wターゲットの酸素含
有量を減ずるだけでは解決できず、Ti−Wターゲット組
織に存在する粗大Ti粒子、およびTi偏析に関係するもの
と推測された。
本発明者は、ターゲット組織とパーティクル発生との
関係を詳細に検討したところ、特に粗大Ti粒子がパーテ
ィクル発生に関係することを見出した。すなわち、Tiと
Wでは原子量の軽いTiが選択的にスパッタリングされる
ので、Tiが存在していた場所は穿孔状になる。すると粗
大Ti粒子または粒子群に囲まれていたW粒子あるいは粗
大Ti粒子近傍のW粒子が巨大粒子のままターゲット材か
ら飛散することがパーティクル発生の原因であることを
見出した。
本発明は、パーティクル発生の極めて少ない組織に制
御したTi−Wターゲット材およびその製造方法を提供す
ることを目的とする。
[課題を解決するための手段] 本発明者は、TiとWのスパッタリング速度の差による
W粒子の飛散のないターゲット材として、Ti相を拡散さ
せるのに有効であり、かつ結晶粒径が粗大化しないよう
な特定の温度で加熱処理して、Ti−W合金相を設け、Ti
相を実質的に無くすことが有効であることを見出した。
すなわち本発明は実質的にW粒子とそれを取り巻くTi
−W合金相よりなることを特徴とするTi−Wターゲット
材である。
本発明のターゲット材はTi粉末とW粉末を焼結した材
料を特定の温度範囲で加熱処理することによりTi−W合
金相を形成し、Ti相を実質的に消失させたものである。
このようにTi相を消失させることにより、原子量の軽
いTiが選択的にスパッタされることがなくなり、パーテ
ィクルの発生を著しく減少できる。
また本発明は上記加熱処理によりW粒子もTiとの合金
化により減少するがW粒子がTi−Wターゲット材断面に
占める面積率が15%以下であることが好ましい。
W粒子は均質なスパッタを行うためには少ないほど良
いが、ターゲット材断面に占める割合が10%以下であれ
ば特に均質な薄膜を得ることができる。
また、本発明において、平均結晶粒径を特に15μm以
下とすると個々の結晶粒がそれぞれ有する結晶方位の影
響が小さくなり、スパッタにより均質な薄膜が得られる
ので都合がよい。本発明では、焼結体の加熱処理は温度
が高いほど、Tiの拡散のためには有利であるが、前記の
結晶粒径を15μm以下にするためには、1550℃以下の加
熱処理温度が適している。さらに小さい平均結晶粒径、
たとえば10μm以下が必要な場合には、加熱処理温度は
1500℃以下が望ましい。
そこで、本発明のTi−Wターゲットは、W粉末と粒径
25μm以下の水素化したTi粉末とを混合粉砕処理し、平
均粒径5μm未満、最大粒径10μm未満まで微粉末化
し、次いで脱水素処理した後、あるいは脱水素化処理し
ながら加圧焼結を行い焼結体とし、得られた焼結体を13
00から1550℃に加熱処理して実質的にW粒子とそれを取
り巻くTi−W合金相の組織とすることにより得ることが
できる。
水素化したTi粉末の粒径を25μm以下としたのは、混
合粉砕処理において、微粉末化を容易にし、Ti−W合金
へのTiの反応を促進するためである。
水素化したTiの粒径はTi粒子が酸化しない条件であれ
ば小さいほどよい。
上記混合粉砕処理には、ボールミル、アトライタ等の
粉砕混合を行なう装置が使用できる。本発明でいう粉砕
混合とは粉砕と混合を別々に行なっても粉砕と混合を同
時に行なってもよく、Ti粉末とW粉末が微細粉末の状態
でよく混合されておればよい。
この粉砕混合処理により、水素化したTi粉末およびW
粉末は平均粒径5μm未満、最大粒径10μm未満まで微
粉末化する。このように微粉末化するのは、反応界面積
を増やし加熱処理した場合に結晶粒を成長させずに、Ti
相を実質的に消失させるために重要である。
特に最大粒径が10μmを超えると、加熱処理を長時間
行なってもTi相が残留するこことなり実用上好ましくな
い。
また、得られた焼結体を1300から1550℃に加熱処理す
るのは加熱による拡散反応により、結晶粒の成長を抑え
つつTi−W合金相を生成するためである。1550℃を越え
て加熱すると原料がTiとWのほぼ純物質であるため、焼
結体の結晶粒が大きくなり過ぎ、結晶方位の影響が大き
く均質な薄膜が得られなくなるためであり、また、1300
℃未満では50時間以上でもほとんど合金化しないため実
用上好ましくない。
上述した加圧焼結には熱間静水圧プレス(以下HIPと
称する)あるいはホットプレス等が使用できる。
また、原料となるTi、水素化したTiおよびWの粉末は
できるだけ酸素、放射性元素等の不純物濃度は低い方が
良い。酸素の混入は薄膜の電気的性質を劣化させ、また
放射性元素の混入は半導体装置の誤動作、破損につなが
る危険がある。
[実施例] (実施例1) 水素化した高純度Ti(純度99.99%以上、平均粒径75
μm以下:以下水素化Tiと称する)を500メッシュ(25
μm)のふるいで分級したものと、高純度W粉末(純度
99.999%以上、平均粒径5μm以下)とを水素化Ti10.3
6wt%になるように配合し、タングステン張りのポット
とタングステン製ボールを使用した専用ボールミル内に
投入した後、ポット内を真空排気し、その後アルゴンガ
スで置換し非酸化性雰囲気とし、90分間粉砕しつつ混合
した。
得られた混合粉は平均粒径3.1μmで最大粒径8μm
であった。
また、混合粉の酸素含有量は820ppmであった。
得られた混合粉を内径400φのHIP缶内に充填し、5×
10-5torrに真空排気しながら、700℃×24時間の加熱を
行ない、脱水素処理を行った。脱水素後HIP缶を封止
し、1250℃×2時間、1000atmの条件でHIP処理を行っ
た。
得られた焼結体の600倍の組織写真を第2図に示す。
第2図において白色粒子はW粒子であり、W粒子間に存
在する灰色部はTi粒子である。第2図が示すように、こ
の段階ではTi−W合金相は全く確認されない。この時の
焼結体の平均結晶粒径は、4μmであった。
この焼結体を真空度10-5torrで1380℃×24時間の条件
で合金化のための加熱処理を行いターゲット材を得た。
得られたターゲット材の酸素含有量はほぼ850ppmであ
り、平均結晶粒径は6μmであった。
得られたターゲット材の600倍の組織写真を第1図に
示す。
第1図中、白色部はW粒子であり、実質的にW粒子を
取り巻いている灰色部はTi−W合金相である。
第1図に示すように、Ti相の確認されないターゲット
材を得ることができた。
このターゲット材をφ300に加工し、ターゲットとし
た。このターゲットを用い、6インチウエハーにスパッ
タリングした。
スパッタ膜中のパーティクル数を検査したところ、0.
5μm以上のパーティクルで5個、0.3μm以上のパーテ
ィクルでも12個と非常に少ないことが確認された。
(比較例1) 実施例1と同一の条件でHIP処理し、第2図で示す組
織と同様の焼結体を得た。この焼結体を実施例1で行っ
た合金化のための加熱処理を行わず、そのままφ300に
加工し、ターゲットとした。
このターゲットを用い、実施例1と同一の条件で6イ
ンチウエハーにスパッタリングした。
スパッタ膜中のパーティクル数を検査したところ、0.
5μm以上のパーティクルで30個、0.3μm以上で140個
と実施例1と比較して非常に多いものとなり、好ましく
ないものであった。
(比較例2) この比較例は、原料となる水素化Ti粉末に粒径の大き
いものを使用し、パーティクル発生の程度を調べたもの
である。
水素化した高純度Ti(純度99.99%以上、平均粒径75
μm以下:以下水素化Tiと称する)を分級せず、高純度
W粉末(純度99.999%以上、平均粒径5μm以下)とを
水素化Ti10.36wt%になるように配合し、タングステン
張りのポットとタングステン製ボールを使用した専用ボ
ールミル内に投入した後、ポット内を真空排気し、その
後アルゴンガスで置換し非酸化性雰囲気とし、90分間粉
砕しつつ混合した。
得られた混合粉は平均粒径4.0μmで最大粒径19μm
であった。
得られた混合粉を実施例1と同様に内径400φのHIP缶
内に充填し、5×10-5torrに真空排気しながら、700℃
×24時間加熱し、脱水素処理を行った。脱水素後HIP缶
を封止し、1250℃×2時間、1000atmの条件でHIP処理を
行った。
得られた焼結体を実施例1と同様に合金化処理を行い
ターゲット材を得た。
得られたターゲット材の酸素含有量は550ppmであり、
平均結晶粒径は6μmであった。
第3図に得られたターゲット材の組織写真を示す。第
3図中、白色部はW粒子、実質的にW粒子を取り巻いて
いる灰色部はTi−W合金相であり、Ti−W相中に存在す
る黒色部はTi相である。このように水素化Tiの原料粉が
粒径25μmを越えると焼結体の加熱処理を行なってもTi
相として残存することになる。
このターゲット材をφ300に加工し、ターゲットとし
た。このターゲットを用い、6インチウエハーにスパッ
タリングした。
スパッタ膜中のパーティクル数を検査したところ、0.
5μm以上のパーティクルで8個であり実施例1と同等
であったが、0.3μm以上のパーティクルが40個と実施
例1よりかなり多いものとなり、パーティクルの発生に
おいて、本発明のように実質的にTi相ない方が優れるこ
とが確認された。
(実施例2) 実施例1と同様にして得られた合金化のための加熱処
理を行う前の焼結体に対して、真空度10-5、24時間の合
金化のための熱処理を熱処理温度を変えて行ないターゲ
ット材を得た。
得られたターゲットをφ300に加工し。ターゲットと
した。
このターゲットを用いて、6インチウエハーにスパッ
タリングを行い、0.3μm以上のパーティクルの発生状
況を観測した。
このターゲットのW面積率およびパーティクルの発生
数と合金化のための加熱熱処理温度の関係を第4図に示
す。
なお、1300℃以上の熱処理を行った本実施例において
は、ターゲット組織の観察により、すべて実質的にTi相
の無い組織であることが確認された。
第4図から熱処理温度を上げていくとWの面積率が減
少していき、それに伴ってパーティクルの発生数も減少
することがわかる。また、Wの面積率はパーティクル数
を減少させるのに小さいほどよいが、W面積率が15%以
下の場合は、パーティクルの数がほとんどW面積率に依
存しないため、Wの面積は15%以下であることが好まし
いことがわかる。
また、ターゲット材破断面の観測により測定された平
均結晶粒径と合金化熱処理温度との関係を第5図に示
す。
また、第5図から合金化の加熱熱処理の温度が1550℃
を超えると平均結晶粒径が急激に増加し、好ましくない
ことがわかる。
[発明の効果] 本発明の非常にパーティクルの発生しにくいTi−Wタ
ーゲット材により、極めて品質の高いスパッタリングを
実施できるため、半導体デバイスの品質向上に極めて有
効である。また、本発明のターゲット材は酸素含有量も
少ないので、ターゲットの割れや生成薄膜の酸化による
電気的特性の劣化を防止でき、薄膜の品質のバラツキを
抑えるという効果も有するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例であるターゲット材の金属組
織写真を示した図、第2図および第3図は比較例のター
ゲット材の金属組織写真を示した図、第4図は本発明の
ターゲットのW面積率およびパーティクルの発生数と合
金化熱処理温度の関係を示した図、第5図は本発明のタ
ーゲットの平均結晶粒径と合金化熱処理温度との関係を
示した図である。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】実質的にW粒子とそれを取り巻くTi−W合
    金相よりなることを特徴とするTi−Wターゲット材。
  2. 【請求項2】実質的にW粒子とそれを取り巻くTi−W合
    金相よりなり、平均結晶粒径15μm以下であることを特
    徴とするTi−Wターゲット材。
  3. 【請求項3】W粒子がTi−Wターゲット材断面に占める
    面積率が15%以下であることを特徴とする請求項1また
    は2に記載のTi−Wターゲット材。
  4. 【請求項4】W粉末と粒径25μm以下の水素化したTi粉
    末とを混合粉砕処理し、平均粒径5μm未満、最大粒径
    10μm未満まで微粉末化し、次いで脱水素処理した後に
    加圧焼結を行なうか、あるいは脱水素化処理しながら加
    圧焼結を行い焼結体とし、得られた焼結体を1300から15
    50℃に加熱処理して実質的にW粒子とそれを取り巻くTi
    −W合金相よりなるターゲットを得ることを特徴とする
    Ti−Wターゲットの製造方法。
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