JP3792007B2 - スパッタリングターゲットの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、密度比が95%以上であることを特徴とするMSix(M=W、Ta又はTi)(x=0.5〜1.1)の低モル比シリサイドのスパッタリングターゲット及びその製造方法に関するものであり、特にはLSIにおける電極及び配線の拡散バリヤー材形成用の、スパッタリング時のパーティクル発生を最小限とした、上記低モル比・高密度シリサイドのスパッタリングターゲットの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
これまでシリサイドは主にゲート電極や接合部に用いられており、そのモル比は約2以上であった(2.5〜2.8が一般的である)。例えば、特開昭62−171911号はx=2〜3.5のモリブデン或いはタングステンシリサイドターゲットを、特開昭61−76664号はx=1.84〜2.57のモリブデンシリサイドターゲットを、そしてWO91/18125(特公平6−41629号)はx=2.0〜4.0の各種金属のシリサイドターゲットをそれぞれ記載している。
【0003】
こうしたモル比が2以上のシリサイドターゲットでは、密度比を95%以上又は97%以上と高くしたターゲットが開示されている。しかるに、モル比が0.6前後のシリサイドは、特に半導体の分野で用途がなかったためにこれまで殆ど省みられなかった。しかし、LSIの集積度の上昇にともない、配線材料として電気抵抗の低い純銅が使用されるに至り、純銅の拡散バリヤーとして従来のTiNやW−Tiでは銅のSi中への拡散を防止することができず、そのため新しい拡散バリヤー材としてモル比の低いシリサイド膜が注目を浴びるようになってきた。
【0004】
しかしながら、モル比の低いシリサイドは高密度化が困難であり、これまで低密度(70〜90%程度)のターゲットしか製造できなかった。これは、モル比2以上のシリサイドの場合は、遊離Si相が存在し、結合相として焼結を促進する働きをするのに対し、低モル比(x=0.5〜1.1)シリサイドでは遊離Si相が存在しないためである。
【0005】
従来の密度の低いターゲットを使用する場合は、スパッタリング時のパーティクル発生が避けられず、大きな問題となってきている。「パーティクル」とは、スパッタリング時ターゲットから飛散する粒子が群集してウエハー上に付着するものを云い、これはウエハー上の配線回路の断線等の原因となるので、重大な問題である。例えば、従来の低密度のシリサイドターゲットの場合、ウエハー(6インチ径)上のパーティクルの発生数は、0.2μm以上の寸法のパーティクルが合計60〜65ケにも達した。これでは、今後の半導体デバイスの要件に対応できない。
【0006】
シリサイドターゲットの製造方法としては、ホットプレス法、コールドプレス真空焼結法、HIP法等が一般的であるが、これらの方法はいずれも、これまでは、モル比2以上のシリサイドに適用されており、低モル比シリサイドには適用されていない。ましてや低モル比シリサイドの密度を上げる試みは報告されていない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、今後特に重要となると思われる、MSix(M=W、Ta又はTi)(x=0.5〜1.1)の組成を有する低モル比シリサイドのスパッタリングターゲットを対象として、従来のターゲットの密度が低いという欠点を解決し、その密度を高めてスパッタリング時のパーティクル発生を低減させることを課題としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
スパッタリング時のパーティクルはターゲットの密度を上げることにより低減できる。本発明者らは、MSix(M=W、Ta又はTi)(x=0.5〜1.1)の組成を有する低モル比シリサイドのスパッタリングターゲットにおいては、HIP(熱間等方圧成形)処理における焼結温度を上げ、かつ、焼結圧力を高めることにより密度を上げることができることを見いだした。即ち、WSiについては最高2000℃、TiSiについては最高1800℃、TaSiについては最高2200℃までの温度で1000〜1500kg/cm2の高圧力をかけたHIP処理により、密度を95%以上、99.5%程度までにも上げることに成功した。MSix(M=W、Ta又はTi)(x=0.5〜1.1)シリサイドターゲットにおいて、95%以上の密度比を実現したのは本発明が初めてである。合成したシリサイド粉末をホットプレスにより焼結した後HIP処理してもよいし、直接HIP処理を行ってもよい。
【0009】
かくして、本発明は、MSix(M=W、Ta又はTi)(x=0.5〜1.1)の組成を有し、そして密度比が95%以上であることを特徴とする低モル比・高密度のシリサイドから成るスパッタリングターゲットを提供する。本ターゲットにおいては、不純物含有量がNa≦0.1ppm、K≦0.1ppm、U≦1ppb、Th≦1ppb、Fe≦5ppm、Cr≦5ppm、Ni≦5ppmのものとすることができる。
本発明はまた、MSix(M=W、Ta又はTi)(x=0.5〜1.1)の組成を有するシリサイド粉末を合成し、該合成シリサイド粉末を直接、もしくは該合成シリサイド粉末をホットプレスして焼結体を作製し、該ホットプレスした焼結体を更に、WSiについては最高2000℃、TiSiについては最高1800℃、そしてTaSiについては最高2200℃までの温度で1000〜1500kg/cm2の高圧力の下で、更にHIP処理することによって、密度比を95%以上とすることを特徴とする低モル比シリサイドのスパッタリングターゲットを製造する方法を提供する。合成した粉末を平均粒径5〜20μmになるように粉砕、篩別により調整することが好ましい。
【0010】
【発明の実施の形態】
原料シリコン粉末並びに原料金属(W、Ta、Ti)粉末は、高純度のものを使用する。特に、電子工業用途に用いられるターゲット作製のためには、放射性元素、アルカリ金属、及び遷移金属含有量の少ないものが望まれる。これは、α線によるソフトエラーや膜界面でのアルカリ金属及び遷移金属原子の移動による弊害を排除するためである。高純度のシリコン粉末は容易に市販入手することができる。タングステン、タンタル、チタンについても、現在では上述した不純物の少ない高純度の粉末を製造する技術が本件出願人らにより確立されており、不純物含有量がNa≦0.1ppm、K≦0.1ppm、U≦1ppb、Th≦1ppb、Fe≦5ppm、Cr≦5ppm、Ni≦5ppm等級の粉末を入手または調製することができる。
【0011】
こうした原料シリコン粉末並びに原料金属(W、Ta、Ti)粉末は、モル比をMSix(M=W、Ta又はTi)(x=0.5〜1.1)となるような配合比において十分に混合する。混合は例えばV型ミキサ等を用いて行われる。シリサイドの合成は、水素又は真空雰囲気において800〜1400℃、通常800〜1300℃の温度で混合粉を加熱することにより実施される。こうして、シリサイド合成塊が得られる。これらの工程において、シリコンの揮散損失量を適宜配慮することが必要である。
【0012】
シリサイド塊は、粉末に粉砕され、最終的にHIP処理されるわけであるが、HIP処理による密度増大には勿論粉末粒度も有効な因子であり、密度アップには微細粉末の方が有利である。粒径は望ましくは平均粒径5〜20μmが良い。平均粒径5μm未満の微細粉は密度アップには望ましいが、酸素含有量が1000ppm以上まで高くなるので使用できない。平均粒径5〜20μmであれば、酸素含有量をWSi、TaSiで500ppm以下、TiSiで1000ppm以下に抑えることが可能である。
【0013】
合成シリサイド粉末は、直接HIP処理することができるし、もしくは合成シリサイド粉末をホットプレスして焼結体を作製し、ホットプレスした焼結体を更にHIP処理することができる。
ホットプレス条件は、シリサイドの種類によって異なるが、例えばタングステンシリサイドの場合、温度1370℃、圧力400kg/cm2 、加圧時間2時間で、75%密度比の焼結体が得られる。タンタルシリサイドの場合には、ホットプレスの条件は例えば温度1470℃、圧力400kg/cm2 、加圧時間2時間で、75%の密度比の焼結体が得られる。チタンシリサイドの場合、ホットプレスの条件は、例えば温度1300℃、圧力400kg/cm2 、加圧時間2時間で、80%の密度比の焼結体が得られる。
【0014】
合成シリサイド粉末もしくは合成シリサイド粉末のホットプレス焼結体は、HIP処理に供される。
HIPをするに当たっては、圧力媒体として粉末を充填するカプセル(円筒容器)が必要となる。実際のHIP処理に当たっては、カプセル材からの汚染以外にも、材料とカプセルとの反応の有無、材料との反応によるカプセルの融点低下等も考慮に入れなければならない。前述のHIP条件はWSiターゲットについては高純度Wカプセル、TaSiターゲットについては高純度Taカプセル、TiSiターゲットについは高純度Wカプセル又はMoカプセルを使用することにより可能となっている。ここで、TiSiターゲットにTiカプセルではなく、W又はMoのカプセルを使用するのは、溶融温度を考慮してのことである。すなわち、Tiカプセルは1800℃の条件下で溶融の危険があるため異種金属ではあるが、高純度のWまたはMoを使用する。合成シリサイド又はその焼結体をカプセルに入れ電子ビーム溶接により同じ材料製の蓋を溶接し、材料をカプセル内に真空封入する。
【0015】
HIP温度は、「溶融の起こらない範囲でできるだけ高い温度」という基準で選択された。すなわち機器の温度管理の誤差範囲も考慮に入れて、融点よりやや低い温度をHIP温度とした。これ以上の高温度は材料の溶融の恐れがあるので採用できない。温度が低ければHIPのコストは安くなるが、密度アップが困難となる。こうした観点から、WSiについては最高2000℃、TiSiについては最高1800℃、そしてTaSiについては最高2200℃までの温度で行う。HIP圧力は、「設備の破損等の支障の起こらない範囲でできるだけ高い圧力」という基準で選択された。一般に、1000〜1500kg/cm2の高圧力が適用できれば十分である。加圧時間は、温度及び圧力に応じて、1〜2時間の範囲とされる。HIP設備の加圧体の変位がなくなった後、しばらく保持することが好ましい。
【0016】
HIP処理後、カプセル材料を取り出し、機械加工により例えば直径300mm、厚さ6.4mmのターゲットを作製する。こうして、密度比99.5%以上の低モル比・高密度のタングステンシリサイド、タンタルシリサイド及びチタンシリサイドから成るターゲットを得ることができる。
【0017】
【実施例】
以下、実施例及び比較例を示し、これらのターゲットを用いてスパッタリングを行いウエハー上のパーティクル数を測定した結果をも示す。
【0018】
(実施例1)
高純度W粉末18.3kgと高純度Si粉末1.7kgとを混合し、真空中1300℃で合成処理を行い、WSix合成塊を得た。これを粉砕、篩別し、平均粒径10μmの粉末を得た。
この粉末を分析したところ、Na<0.01ppm、K<0.01ppm、Fe=0.5ppm、Cr<0.1ppm、Ni<0.1ppm、U<0.5ppb、Th<0.5ppbであり、モル比は0.6であった。
この粉末を用いてホットプレスにより焼結体を作製したが、密度比は75%であった。ホットプレスの条件は、温度:1370℃、圧力:400kg/cm2 、加圧時間:2時間であった。
この密度比75%の焼結体をW製のカプセル(円筒容器)に入れそして電子ビーム溶接によりW製の蓋を溶接し、材料をWカプセル内に真空封入した。このカプセル内に封入した材料をHIP処理した。HIP条件は、温度:2000℃、圧力:1000kg/cm2 、加圧時間:1時間であった。HIP処理後、カプセル材料を取り出し、機械加工により直径300mm、厚さ6.4mmのターゲットを作製した。この材料の密度比99.5%であった。また、ターゲット材の分析も行ったが、粉末で得られた値と全く同じであった。
このターゲットを用いてスパッタリングを行いウエハー(6インチ径)上のパーティクルを測定したところ、0.2μm以上の寸法のパーティクルが合計15ケであった。
【0019】
(実施例2)
高純度Ta粉末18.3kgと高純度Si粉末1.7kgとを混合し、真空中1300℃で合成処理を行い、TaSix合成塊を得た。これを粉砕、篩別し、平均粒径10μmの粉末を得た。
この粉末を分析したところ、Na=0.05ppm、K=0.02ppm、Fe=2ppm、Cr=0.5ppm、Ni=1ppm、U<0.5ppb、Th<0.5ppbであり、そのモル比0.6であった。
この粉末を用いてホットプレスにより焼結体を作製したが、密度比は75%であった。ホットプレスの条件は、温度:1470℃、圧力:400kg/cm2 、加圧時間:2時間であった。
この75%の焼結体をTa製のカプセル(円筒容器)に入れ電子ビーム溶接によりTa製の蓋を溶接し、材料をTaカプセル内に真空封入した。このカプセル内に封入した材料をHIP処理した。HIP条件は温度:2200℃、圧力:1000kg/cm2 、加圧時間:1時間であった。HIP処理後、カプセル材料を取り出し機械加工により直径300mm、厚さ6.4mmのターゲットを作製した。この材料の密度は密度比99.0%であった。また、ターゲット材の分析も行ったが、粉末で得られた値と全く同じであった。
このターゲットを用いてスパッタリングを行いウエハー(6インチ径)上のパーティクルを測定したところ0.2μm以上の寸法のパーティクルが合計16ケであった。
【0020】
(実施例3)
高純度Ti粉末14.8kgと高純度Si粉末5.2kgとを混合し、真空中1200℃で合成処理を行い、TiSix合成塊を得た。これを粉砕、篩別し、平均粒径10μmの粉末を得た。この粉末を分析したところ、Na<0.01ppm、K<0.01ppm、Fe=3ppm、Cr=1ppm、Ni=3ppm、U<0.5ppb、Th<0.5ppbであり、そのモル比は0.6であった。
この粉末を用いてホットプレスにより焼結体を作製したが、密度比は80%であった。ホットプレスの条件は温度:1300℃、圧力:400kg/cm2 、加圧時間:2時間であった。
この80%の密度比の焼結体をMo製のカプセル(円筒容器)に入れ電子ビーム溶接によりMo製の蓋を溶接し、材料をMoカプセル内に真空封入した。このカプセル内に封入した材料をHIP処理した。HIP条件は温度:1800℃、圧力:1000kg/cm2 、加圧時間:1時間であった。HIP処理後カプセル材料を取り出し機械加工により直径300mm、厚さ6.4mmのターゲットを作製した。この材料の密度は密度比99.8%であった。また、ターゲット材の分析も行ったが、粉末で得られた値と全く同じであった。
このターゲットを用いてスパッタリングを行いウエハー(6インチ径)上のパーティクルを測定したところ0.2μm以上の寸法のパーティクルが合計13ケであった。
【0021】
(実施例4)
高純度W粉末18.3kgと高純度Si粉末1.7kgとを混合し、真空中1300℃で合成処理を行い、WSix合成塊を得た。これを粉砕、篩別し、平均粒径30μmの粉末を得た。この粉末を分析したところ、Na<0.01ppm、K<0.01ppm、Fe=0.5ppm、Cr<0.1ppm、Ni<0.1ppm、U<0.5ppb、Th<0.5ppbであり、そのモル比0.6であった。
この粉末を用いてホットプレスにより焼結体を作製したが、密度は72%であった。ホットプレスの条件は、温度:1370℃、圧力:400kg/cm2 、加圧時間:2時間であった。
この72%の密度比焼結体をW製のカプセル(円筒容器)に入れ電子ビーム溶接により蓋を溶接し、材料をWカプセル内に真空封入した。このカプセル内に封入した材料をHIP処理した。HIP条件は、温度:2000℃、圧力:1000kg/cm2 、加圧時間:1時間であった。
HIP処理後、カプセル材料を取り出し機械加工により直径300mm、厚さ6.4mmのターゲットを作製した。この材料の密度は密度比98%であった。また、ターゲット材の分析も行ったが、粉末で得られた値と全く同じであった。
このターゲットを用いてスパッタリングを行い、ウエハー(6インチ径)上のパーティクルを測定したところ、0.2μm以上の寸法のパーティクルが合計22ケであった。
【0022】
(実施例5)
高純度Ta粉末18.3kgと高純度Si粉末1.7kgとを混合し、真空中1300℃で合成処理を行い、TaSix合成塊を得た。これを粉砕、篩別し、平均粒径10μmの粉末を得た。この粉末を分析したところ、Na=0.05ppm、K=0.02ppm、Fe=2ppm、Cr=0.5ppm、Ni=1ppm、U<0.5ppb、Th<0.5ppbであり、そのモル比は0.6であった。
この粉末をTa製のカプセル(円筒容器)に入れ電子ビーム溶接によりTa製の蓋を溶接し、材料をTaカプセル内に真空封入した。このカプセル内に封入した材料をHIP処理した。HIP条件は、温度:2200℃、圧力:1000kg/cm2 、加圧時間:1時間であった。HIP処理後カプセル材料を取り出し機械加工により直径:300mm、厚さ:6.4mmのターゲットを作製した。この材料の密度比は99.0%であった。また、ターゲット材の分析も行ったが、粉末で得られた値と全く同じであった。
このターゲットを用いてスパッタリングを行い、ウエハー(6インチ径)上のパーティクルを測定したところ、0.2μm以上の寸法のパーティクルが合計16ケであった。
【0023】
(比較例1)
実施例1と全く同じ原料粉末を用い、全く同じ方法でホットプレスを行い密度75%のWSiを得た。これより機械加工により直径300mm、厚さ6.4mmのターゲットを作製しスパッタリングを行った。ウエハー(6インチ径)上のパーティクル測定を行ったところ0.2μm以上の寸法のパーティクルが合計65ケであった。
【0024】
(比較例2)
実施例2と全く同じ原料粉末を用い、全く同じ方法でホットプレスを行い密度75%のTaSiを得た。これより機械加工により直径300mm、厚さ6.4mmのターゲットを作製しスパッタリングを行った。ウエハー(6インチ径)上のパーティクル測定を行ったところ0.2μm以上の寸法のパーティクルが合計65ケであった。
【0025】
(比較例3)
実施例3と全く同じ原料粉末を用い、全く同じ方法でホットプレスを行い密度80%のTiSiを得た。これより機械加工により直径300mm、厚さ6.4mmのターゲットを作製しスパッタリングを行った。ウエハー(6インチ径)上のパーティクル測定を行ったところ0.2μm以上の寸法のパーティクルが合計60ケであった。
【0026】
【発明の効果】
パーティクル発生の少ないMSix(M=W、Ta、Ti x=0.5−1.1)膜をスパッタリングによって得ることができる。配線材料として電気抵抗の低い純銅が使用される場合の純銅の拡散バリヤーとして有効に使用することができる。
Claims (2)
- MSix(M=W、Ta又はTi)(x=0.5〜1.1)の組成を有するシリサイド粉末を合成し、該合成シリサイド粉末をホットプレスして焼結体を作製し、該ホットプレスした焼結体を、更に、WSiについては最高2000℃、TiSiについては最高1800℃、そしてTaSiについては最高2200℃までの温度で1000〜1500kg/cm2の高圧力の下で、HIP処理することによって密度比を95%以上とすることを特徴とする、MSix(M=W、Ta又はTi)(x=0.5〜1.1)の組成を有する低モル比・高密度のシリサイドから成るスパッタリングターゲットを製造する方法。
- 合成したシリサイド粉末を平均粒径5〜20μmになるように粉砕、篩別により調整する請求項1のスパッタリングターゲットを製造する方法。
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