JP4238768B2 - P含有w粉末およびこれを用いて製造されたスパッタリング焼結ターゲット - Google Patents

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この発明は、例えばICやLSIに代表される半導体デバイスの電極や配線などの形成に際して適応されるW(タングステン)薄膜を形成するのに用いられるスパッタリング焼結ターゲット、およびこれの製造に原料粉末として用いるのに適したP(リン)含有W粉末に関するものである。
従来、上記のW薄膜形成用スパッタリング焼結ターゲットの製造には、原料粉末として99.997質量%以上(以下、%は質量%を示す)の高純度を有し、したがって、不可避不純物の含有割合が10ppm以下の高純度W粉末が用いられている。
また、上記の高純度W粉末が、例えば99.997%以上の純度を有するパラタングステン酸アンモニウムやメタパラタングステン酸アンモニウムを用いて調製された高純度三酸化タングステン(以下、WO粉末で示す)粉末を用い、これに水素気流中、800〜1200℃の温度に所定時間保持の条件で還元処理を施すことにより製造されることも知られている。
さらに、上記のW薄膜形成用スパッタリング焼結ターゲットが、上記の純度が99.997%以上の高純度W粉末を原料粉末として用い、これを100〜300MPaの圧力で圧粉体にプレス成形した状態で高温等方圧プレス(HIP)することにより製造されることもよく知られるところである。
特開2003−193225
近年、例えば半導体デバイスの高集積化はめざましく、これに対応して、これらの構造部品の電極や配線などの細線化および緻密化は一段と顕著になり、このように前記構造部品の集積度が高くなればなるほど、これらの形成に適用されるW薄膜の品質にも高い均質性が要求され、特に薄膜中にできるだけパーティクル(最大径で0.5μm以上の粗大粒)の存在しない薄膜が強く要求されることになるが、上記の従来スパッタリング焼結ターゲットを用いてW薄膜を形成した場合、前記W薄膜中のパーティクルを前記構造部品の高集積化に十分満足に対応できる程度に少なくすることができないのが現状である。
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特に上記のW薄膜の形成に用いられているスパッタリング焼結ターゲットに着目し、これを用いての薄膜形成時におけるパーティクル発生の減少を図るべく、研究を行った結果、
(a)スパッタ時のパーティクル発生数と焼結ターゲットにおけるWの平均結晶粒径との間には密接な関係があり、前記Wの平均結晶粒径を、光学顕微鏡による観察で、40μm以下にするとパーティクルの発生を著しく減少させることができること。
(b)一般に、上記の従来高純度W粉末におけるWは10μm以下の平均結晶粒径を有し、これを原料粉末として用いて、焼結ターゲットを製造した場合、前記焼結ターゲットにおけるWの平均結晶粒径は80μm以上に粒成長してしまうが、前記従来高純度W粉末にP(リン)を2〜20ppmの割合で含有させ、このP含有W粉末を原料粉末として用いると、P成分は焼結ターゲット製造時のW結晶粒の成長も著しく抑制する作用を発揮し、焼結ターゲットにおける前記Wの平均結晶粒径を40μm以下に抑制することができること。
(c)上記の(b)のP含有W粉末は、従来高純度W粉末の製造に際して、原料粉末として用いられている、例えばWO粉末に、例えばリン酸水溶液や12タングストリン酸(以下、PW12で示す)水溶液を、前記WO粉末のWとの合量に占める割合でP:2〜20ppmとなる割合で配合し、混合し、乾燥した後、従来高純度W粉末の製造におけると同一の条件で還元処理を施すことにより製造できること。
以上(a)〜(c)に示される研究結果を得たのである。
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
(a)Pを2〜20ppmの割合で含有し、残りがWと不可避不純物からなり、前記Wの含有割合が99.997%以上、前記不可避不純物の含有割合が10ppm以下である組成を有し、さらに前記Wの平均結晶粒径が光学顕微鏡による観察で10μm以下である、スパッタリング焼結ターゲットの製造に原料粉末として用いるのに適したP含有W粉末。
(b)Pを2〜20ppmの割合で含有し、残りがWと不可避不純物からなり、前記Wの含有割合が99.997%以上、前記不可避不純物の含有割合が10ppm以下である組成を有し、さらに前記Wの平均結晶粒径が光学顕微鏡による観察で10μm以下であるP含有W粉末を原料粉末として用いて、高温等方圧プレス(HIP)成形され、かつ同じく光学顕微鏡による観察でWの平均結晶粒径が40μm以下である、パーティクル発生のきわめて少ないW薄膜形成用スパッタリング焼結ターゲット。
に特徴を有するものである。
なお、この発明のP含有W粉末において、上記の通りスパッタリング焼結ターゲットにおけるWの平均結晶粒径とこれの製造に用いられる前記P含有W粉末のP含有量との間には密接な関係があるが、前記P含有W粉末のP含有割合が2ppm未満では、焼結ターゲット製造時におけるW結晶粒の成長抑制効果が不十分で、焼結ターゲットのWの平均結晶粒径は40μmを越えて大きく成長してしまい、W薄膜中にパーティクルが発生し易くなり、一方、その含有割合が20ppmを越えると、Wの含有割合が99.997%未満に低下し易くなって、スパッタ後のW薄膜に所定の特性を確保することができなくなるという理由から、Pの含有割合を2〜20ppmと限定したものである。
また、この発明のP含有W粉末において、Wの含有割合が99.997%未満になったり、不可避不純物の含有割合が10ppmを越えたりすると、上記の通り焼結ターゲットは勿論のこと、スパッタ後のW薄膜におけるWおよび不可避不純物の含有割合もそれぞれ99.997%未満になったり、10ppmを越えたりするようになり、いずれの場合も、W薄膜に所定の特性を確保することができなくなることから、Wの含有割合を99.997%以上、不可避不純物の含有割合を10ppm以下に定めている。
さらに、W粉末にP成分を含有させてWの平均結晶粒径を光学顕微鏡による観察で10μm以下としたのは、この場合平均結晶粒径が10μmを越えると、前記P成分による粒成長抑制効果が十分に発揮されても、焼結ターゲットにおけるWの平均結晶粒径が40μmを越えてしまい、W薄膜にパーティクルが発生し易くなるという理由によるものである。
この発明は、Pを2〜20ppmの割合で含有し、残りがWと不可避不純物からなり、前記Wの含有割合が99.997%以上、前記不可避不純物の含有割合が10ppm以下である組成を有し、さらに前記Wの平均結晶粒径が光学顕微鏡による観察で10μm以下であるP含有W粉末を原料粉末として用いることによって、同じく光学顕微鏡による観察でWの平均結晶粒径が40μm以下であるスパッタリング焼結ターゲットの製造を可能とし、このスパッタリング焼結ターゲットを用いれば、パーティクルの発生がきわめて少なく、例えば高集積度が要求される半導体デバイスなどに適用することができるW薄膜を形成することができるのである。
つぎに、この発明を実施例により具体的に説明する。
原料粉末として、99.999%以上の純度を有するWO粉末を用い、これにP成分源として所定の濃度を有するPW12水溶液を、前記WO粉末のWに対するP成分の割合で配合し、混合し、減圧乾燥機で85℃の温度で、4時間乾燥して、前記原料粉末の表面にPW12をまぶした状態とし、この状態で還元炉に装入し、水素流速を8.8m/minとした水素雰囲気中、1000℃の温度に3時間保持の条件で還元処理を施すことにより、それぞれ表1に示されるP含有割合、Wの含有割合および平均結晶粒径、さらに不可避不純物含有割合の本発明P含有W粉末1〜12をそれぞれ製造した。
また、比較の目的で、表1に示される通りP成分を原料粉末であるWO粉末に配合しない以外は同一の条件で、上記の従来W粉末に相当する比較W粉末1〜3を製造した。
ついで、上記の本発明P含有W粉末1〜12および比較W粉末1〜3をそれぞれ表2に示される通り原料粉末として用い、これら原料粉末に、圧力:35MPa、温度:1800℃、保持時間:2時間の条件でホットプレス焼結を施して、直径:310mm×厚さ:10mmの寸法をもった円柱状予備焼結体とし、ついで、この円盤状予備焼結体に、高融点金属でカプセリングした状態で、真空雰囲気中、圧力:180MPa、温度:1800℃、保持時間:4時間の条件で熱間等方加圧焼結(HIP処理)を施し、さらに最終的に機械加工にて直径:300mm×厚さ:5mmの寸法に仕上げることにより、それぞれ表2に示されるWの含有割合および平均結晶粒径の本発明スパッタリング焼結ターゲット(以下、本発明焼結ターゲットという)1〜12および比較スパッタリング焼結ターゲット(以下、比較焼結ターゲットという)1〜3をそれぞれ製造した。
ついで、上記の本発明焼結ターゲット1〜12および比較焼結ターゲット1〜3をそれぞれ純銅製バッキングプレートにIn系合金ろう材を用いて、ろう付けした状態で、直流マグネトロンスパッタリング装置に取り付け、
スパッタガス:Ar、
Arガス圧力:0.5Pa、
スパッタ出力:2kW、
スパッタ時間:5分、
の条件でスパッタを行い、直径:200mmのSiウエハーの表面に、全面に亘って厚さ:0.3μmのW薄膜を形成した。
この結果得られたW薄膜について、任意箇所の直径:50mmの円面積内に存在する最大径が0.5μm以上のパーティクル数をパーティクルカウンターにて測定した。この測定結果を表2に5ヶ所の単位面積当たりの平均値で示した。
Figure 0004238768
Figure 0004238768
表1,2に示される結果から、Pを2〜20ppmの割合で含有し、Wの平均結晶粒径が10μm以下の本発明P含有W粉末1〜12を原料粉末として用いれば、前記原料粉末中のPが焼結ターゲット製造時のW結晶粒の成長を著しく抑制する作用を発揮することから、焼結ターゲットにおける前記Wの平均結晶粒径が40μm以下の本発明焼結ターゲット1〜12を製造することができ、しかもこの本発明焼結ターゲット1〜12を用いれば、いずれもパーティクルの発生がきわめて少ないW薄膜を形成することができるのに対して、Pを含有しない比較W粉末1〜3を原料粉末として用いた比較焼結ターゲット1〜3では、焼結時のW成長が著しく、その平均結晶粒径は80μmを越えて大きなものとなり、形成されたW薄膜におけるパーティクルの発生はきわめて多いものとなることが明らかである。
上述のように、この発明のP含有W粉末は、これを原料粉末として用いれば、Wの平均結晶粒径が40μm以下のスパッタリング焼結ターゲットを製造することができ、かつ前記スパッタリング焼結ターゲットによってパーティクル発生のきわめて少ないW薄膜の形成が可能となるなど、例えば半導体デバイスの高集積化に十分満足に対応できるものである。

Claims (2)

  1. P(リン)を2〜20ppmの割合で含有し、残りがW(タングステン)と不可避不純物からなり、前記Wの含有割合が99.997質量%以上、前記不可避不純物の含有割合が10ppm以下である組成を有し、さらにWの平均結晶粒径が光学顕微鏡による観察で10μm以下であることを特徴とするスパッタリング焼結ターゲットの製造に原料粉末として用いるのに適したP含有W粉末。
  2. P(リン)を2〜20ppmの割合で含有し、残りがW(タングステン)と不可避不純物からなり、前記Wの含有割合が99.997質量%以上、前記不可避不純物の含有割合が10ppm以下である組成を有し、さらにWの平均結晶粒径が光学顕微鏡による観察で10μm以下であるP含有W粉末を原料粉末として用いて高温等方圧プレス(HIP)成形され、かつ同じく光学顕微鏡による観察でWの平均結晶粒径が40μm以下であることを特徴とする、パーティクル発生のきわめて少ないW薄膜形成用スパッタリング焼結ターゲット。
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