JP4238768B2

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

Info

Publication number: JP4238768B2
Application number: JP2004122821A
Authority: JP
Inventors: 博文吉本; 進森田
Original assignee: Japan New Metals Co Ltd
Current assignee: Japan New Metals Co Ltd
Priority date: 2004-04-19
Filing date: 2004-04-19
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2024-04-19
Also published as: JP2005307235A

Description

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_３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_３粉末に、例えばリン酸水溶液や１２タングストリン酸（以下、ＰＷ_１２で示す）水溶液を、前記ＷＯ_３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_３粉末を用い、これにＰ成分源として所定の濃度を有するＰＷ_１２水溶液を、前記ＷＯ_３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ＰＷ_１２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_３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。

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

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。
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。