JP3998972B2 - スパッタリング用タングステンターゲットの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＣ、ＬＳＩ等のゲート電極あるいは配線材料等をスパッタリング法によって形成する際に用いられるタングステン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】
近年、超ＬＳＩの高集積化に伴い電気抵抗値のより低い材料を電極材料や配線材料として使用することの検討が行われているが、このような中で電気抵抗値が低く、熱的および化学的に安定している高純度タングステンが電極材料や配線材料として有望視されている。この超ＬＳＩ用の電極材料や配線材料は、一般にスパッタリング法あるいはＣＶＤ法で製造されているがスパッタリング法は、装置の構造および操作が比較的単純で、容易に成膜でき、更に低コストであるためＣＶＤ法よりも広く使用されている。
【０００３】
ところで、前記スパッタリング法によって製造されたタングステンターゲットを用いて成膜する際に、成膜面にパーティクルと呼ばれる欠陥が発生すると、配線不良等の故障が発生し歩留まりが低下する。そのためこのようなパーティクルの発生を減少させるためには高密度で結晶粒径の微細なタングステンターゲットが要求されている。前記スパッタリングによる成膜上のパーティクル欠陥の発生を抑え、すなわち、高密度で結晶粒径の微細なタングステンターゲットを低いコストで且つ安定して製造する方法として例えば、特開平１１−２７３６３８号公報に開示されている。
【０００４】
上記した技術の概要は、加圧焼結法で使用しているタングステン粉末の粒度、例えば粉体比表面積がＢＥＴ法で０．４ｍ² ／ｇ以上（約２μｍ以下）の微細な粉末を用いて加圧焼結を実施することにより、相対密度が高い焼結体が形成され、該焼結体の気孔形態は、閉気孔になるためその後にカプセリングを施すことなくＨＩＰ処理が可能となり、且つその後、ＨＩＰ処理により相対密度が高く、平均結晶粒径が微細且つ酸素含有量が低いスパッタリング用タングステンターゲットを製造する方法である。
【０００５】
【発明が解決しよとする課題】
しかしながら、前記特開２００１−９８３６４号公報に開示されている技術では、以下の課題を有しており実用化は難しい。すなわち、前記の公報に開示されている加圧焼結法で使用する、例えば粉体比表面積が０．４ｍ² ／ｇ（ＢＥＴ法）以上の極めて微細な粒径の粉末を得るには、該公報に開示されているように、別途、特殊なメタタングステン酸アンモニウムの高純度化精製設備及び水素還元設備が必要であり、そのために粉末の製造コストが極めて高価となる。
【０００６】
また、粉末の水素還元時の水素ガス供給量と反応生成ガスの除去速度には、粉末粒形が極めて微細であるため、自ずと速度に制限があり、そのため精製に時間が多く必要であり、粉末の工業的な多量生産には不適切である。
更には、仮にホットプレスで生成される焼結体を、相対密度を９３％以上にしたとしても、ホットプレス時に粉末の粒成長が起こるため、該焼結体の気孔形態が完全な閉気孔にならず、また、その後キヤニングを施すことなくＨＩＰ処理を実施しているため、該ＨＩＰ処理後のターゲット材の相対密度を９９％の高い密度とすることが難しい。
【０００７】
以上の従来技術の課題に鑑み本発明の目的は、現在一般的に市販・流通されている粒径の粉末を使用しても、成膜上のパーティクル欠陥の発生を抑え、すなわち、高密度・結晶粒径が微細、且つ酸素含有量が低いタングステンターゲットを低いコストで且つ安定して容易に製造する方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を解決したもので、その発明の要旨とするところは、
（１）粒径が２〜１０μｍのタングステン粉末を用い、真空または還元雰囲気中で温度１４００〜１８００℃未満、圧力２９〜５９ＭＰａの条件でホットプレス焼結にて焼結体を形成し、その後、該焼結体をカプセリング後、脱気し、続いて、温度１５００〜２０００℃未満、圧力９８〜２０６ＭＰａ未満の条件で熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理することを特徴とするスパッタリング用タングステンターゲットの製造方法。
（２）ホットプレス焼結にて成形する焼結体の相対密度を８５〜９９．０％未満とすることを特徴とする前記（１）記載のスパッタリング用タングステンターゲットの製造方法。
【０００９】
（３）熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理後の相対密度を９９％以上、平均結晶粒径を１５０μｍ以下、酸素含有量を１０〜３０ｐｐｍとすることを特徴とする前記（１）または（２）記載のスパッタリング用タングステンターゲットの製造方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の基本的な製造プロセスはタングステン粉末を用い、真空または還元雰囲気中でホットプレス焼結にて焼結体を形成し、その後、該焼結体をカプセリング後、脱気し、続いて熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理するものである。その大きな特徴となすところは、一般に市販されている粒径の粉末を使用してホットプレスにより形成された焼結体にその後、カプセリングを施した後、熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理することにより成膜上のパーティクル欠陥の発生を抑え、すなわち、高密度で結晶粒径が微細更に酸素含有量が低いタングステンターゲットを低いコストで且つ安定して容易に製造するものである。
【００１１】
続いて、上記製造プロセスにおける種々の数値限定理由について以下に説明する。上記タングステン粉末の粒径としては現在一般的に市販されているものの中より２〜１０μｍのものを適宜選定するとよい。下限の２μｍとは現在一般的に使用・流通されているタングステン粉末の粒径の下限値であり、一方、１０μｍを越える粒径のものを使用するとホットプレス時またはＨＩＰ時の粒成長により、ＨＩＰ処理後の最終製品であるタングステンターゲットの平均結晶粒径が大きくなるため、その上限は１０μｍがよい。
【００１２】
また、焼結体の相対密度が８５％未満になると、後工程のカプセリングを施した後の熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理において、高温且つ高圧なる処理を施しても、特に気孔が残存するため最終目標であるタングステンターゲットの相対密度が９９％以上の焼結体を得ることができない。一方、現在主流である８インチ以上のサイズでは、ホットプレスの設備能力上９９％以上の密度を得ることは難しく好ましくない。従って、ホットプレスで成形された焼結体の相対密度を８５〜９９％未満とする。
【００１３】
ホットプレス焼結の条件としては、温度１４００〜１８００℃未満、圧力２９〜５９ＭＰａ未満とする。温度１４００℃未満では、温度が低過ぎるため同時処理時の圧力を例えば６０ＭＰａ位に高くしても焼結が促進されず、前記ホットプレスで形成される焼結体における必要相対密度の下限値８５％未満となる。また、圧力の下限値を２９ＭＰａ未満では温度を高くしても前記と同様に、焼結が促進されずホットプレスで形成される焼結体の必要相対密度の下限値８５％未満となる。従って、その範囲を上記のように２９〜５９ＭＰａ未満とする。一方、温度が１８００℃以上となると、前記ホットプレスで成形される焼結体の相対密度は高くなるが、結晶粒径が粗大化すると共に、エネルギーロスとなるため、１８００℃未満が好ましい。また、圧力が５９ＭＰａ以上となると一般のホットプレス設備能力上、操業が困難となるため好ましくない。
【００１４】
熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理の条件としては、温度１５００〜２０００℃未満、圧力９８〜２０６ＭＰａ未満とする。温度が１５００℃未満では、温度が低すぎるため同時処理時の圧力を例えば２１０ＭＰａ程度に高くしても、特に焼結による緻密化が促進されず、前記熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理で形成される焼結体の必要相対密度の下限値９９％未満となる。また、圧力が９８ＭＰａ未満では温度を高くしても、特に圧力が低過ぎるため、焼結体の気孔がつぶされず、前記と同様に、前記熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理で形成される焼結体の必要相対密度の下限値９９％未満となる。
【００１５】
一方、温度が２０００℃以上となるとタングステンの２次再結晶温度を越えるため、結晶粒径が粗大化すると共にエネルギーロスとなるため２０００℃未満が好ましい。また、圧力が２０６ＭＰａ以上となると一般のＨＩＰ設備の能力上困難である。従って、上記のように、温度１５００〜２０００℃未満、圧力９８〜２０６ＭＰａ未満とする。
【００１６】
また、熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理後のタングステンターゲット製品の品質は、相対密度：９９％以上、平均結晶粒径：１５０μｍ以下、酸素含有量：１０〜３０ｐｐｍとする必要がある。しかし、相対密度が９９％未満、平均結晶粒径が１５０μｍを越えると、スパッタリング成膜時のパーティクル欠陥が増大するため望ましくない。更に、酸素含有量については１０〜３０ｐｐｍが望ましい。３０ｐｐｍを越えると同様にスパッタリング成膜時のパーティクル欠陥が増大すると共に形成された膜の抵抗値が増大し、品質上問題となる。
【００１７】
以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
【実施例】
表１に示すとおり、Ｎｏ．１〜１５は本発明例であり、Ｎｏ．１６〜２４は比較例である。この表のとおり、タングステン粉末の粒径が異なる５種類の粉末を使用して、カーボンダイスを用いて加圧力３５ＭＰａ、温度を１４００、１６００、１７９０℃でホットプレスを行った。得られたタングステン焼結体の相対密度を表１に示す。このタングステン焼結体をそれぞれ高融点金属（ニオブ）でカプセリング後、温度を１６００、１８００、１９９０℃で加圧力１８４ＭＰａで２時間のＨＩＰ処理を実施し、得られた焼結体の相対密度、平均結晶粒径及び酸素含有量及びこのタングステンターゲットを用いてスパッタリングした成膜上でのパーティクル数を同表１に示す。
【００１８】
【表１】

【００１９】
表１に示すとおり、ホットプレス後の焼結体の相対密度は、本発明例であるＮｏ．１〜１５のいづれも８５〜９９％未満の範囲のものとなり、また、ＨＩＰ処理後の焼結体の相対密度は、いずれも９９％以上となった。そして、相対密度は、タングステン粉末の粒径が小さくなるに従い高くなる傾向があった。また、平均結晶粒径は、４０〜１２５μｍであり、いづれも１５０μｍ以下であった。更に 酸素含有量は、いずれも３０ｐｐｍ以下であった。このタングステン焼結体を用いて、スパッタリングした膜上のパーティクル数は、０．０１〜０．０７個／ｃｍ² となり、いずれも０．１個／ｃｍ² 以下であり、極めて良質な膜が得れた。
【００２０】
上記したように、表１に示すＮｏ．１〜１５の種々の実施により、本発明の効果が十分にあることが明かである。これに対し、Ｎｏ．１６〜２１は比較例である。これらは、いづれもタングステン粉末の粒径が一般に市販されていなく、本発明の特許請求の範囲内である粒径より小さな粉末を使用し、カプセリングを実施しない以外の他の条件は、全て本発明の特許請求の範囲内の条件で実施したものである。なお、前記の粉末の製造については、前記特開平１１−２７３６３８号公報に開示されている内容により試験的に製造した。
【００２１】
比較例Ｎｏ．１６〜１８は、粒径が０．８μｍ、また、比較例Ｎｏ．１９〜２１は、粒径が１．５μｍである微細な粉末を使用したものであるが、その結果はいづれもＨＩＰ後の相対密度が９９％未満となっており、また、このタングステン焼結体を用いて、スパッタリングした膜上のパーティクル数は、０．２１〜０．４０個／ｃｍ² となり、いずれも０．１個／ｃｍ² 以上であり、その品質は、実用上使用できないものである。
【００２２】
比較例Ｎｏ．２２〜２４は、いずれもタングステン粉末の粒径が本発明の特許請求の範囲内である粉末を使用し、カプセリングを実施しない以外の他の条件は、全て本発明の特許請求の範囲内の条件で実施したものである。なお、前記の粉末については、市販品のものを使用した。粉末の粒径を２．１μｍである微細な粉末を使用したものであるが、その結果はいづれもＨＩＰ後の相対密度が９９％未満となっており、また、このタングステン焼結体を用いて、スパッタリングした膜上のパーティクル数は、０．２１〜０．３０個／ｃｍ² となり、いずれも０．１個／ｃｍ² 以上であり、その品質は、実用上使用できないものである。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明による、現在一般的に市販・流通されている粒径の粉末を使用しても、ホットプレスによって成形された焼結体をカプセリングし、その後、ＨＩＰ処理を実施することにより、成膜上のパーティクル欠陥の発生を抑え、すなわち、高密度・結晶粒径が微細、且つ酸素含有量が低いタングステンターゲットを低いコストで且つ安定して容易に製造することが可能となり、その工業的な効果は、顕著なものである。

Claims (3)

1. 粒径が２〜１０μｍのタングステン粉末を用い、真空または還元雰囲気中で温度１４００〜１８００℃未満、圧力２９〜５９ＭＰａの条件でホットプレス焼結にて焼結体を形成し、その後、該焼結体をカプセリング後、脱気し、続いて、温度１５００〜２０００℃未満、圧力９８〜２０６ＭＰａ未満の条件で熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理することを特徴とするスパッタリング用タングステンターゲットの製造方法。
2. ホットプレス焼結にて成形する焼結体の相対密度を８５〜９９．０％未満とすることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング用タングステンターゲットの製造方法。
3. 熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）処理後の相対密度を９９％以上、平均結晶粒径を１５０μｍ以下、酸素含有量を１０〜３０ｐｐｍとすることを特徴とする請求項１または２記載のスパッタリング用タングステンターゲットの製造方法。