JP4719174B2 - スパッタリングターゲットの製造方法 - Google Patents

Description

本発明はスパッタリングターゲットの製造方法に関する。

スパッタリングターゲットは、半導体分野、液晶分野、磁気記録分野等に幅広く使用されている。これら各種分野のデバイス、例えば半導体デバイス、液晶表示デバイス、磁気記録媒体や磁気ヘッドのような磁気記録用デバイス等の製品歩留りを大きく左右する因子として、スパッタリングターゲットから発生するダスト、膜厚分布、膜の組成分布等が挙げられる。

そこで、ターゲットから発生するダストの抑制、膜厚分布の均一性の向上、膜の組成分布むらの改善等を図るために、スパッタリングターゲットの改良に関する提案が数多くなされている。例えば、特許文献１にはターゲットを構成する結晶粒の粒径を微細化することによって、スパッタ膜の膜厚分布を改善することが記載されている。また、特許文献２にはターゲット組織を再結晶組織とすると共に、ターゲットを構成する結晶粒の平均粒径を５００μｍ以下とし、さらには各結晶粒の配向性を制御することによって、スパッタ膜の膜厚分布を均一化することが記載されている。
特公平３−７１５１０号公報 特開平６−２９９３４２号公報

しかしながら、例えば半導体デバイスの高集積化や高機能化、液晶表示デバイスの大面積化や高性能化、磁気記録用デバイスの高記録密度化や高性能化等が進むにつれて、各種デバイスの構成要素として用いられるスパッタ膜に対する要求特性は益々厳しくなってきているのが現状である。

具体的には、スパッタ膜の膜厚分布や膜組成をより均一化すると共に、各種機能材料として用いられるスパッタ膜の諸特性の向上および均一化を図ることが求められており、さらにダストの発生数をより低減することが望まれている。より具体的には、例えば配線膜として用いられる金属膜では、比抵抗の低減および膜内の比抵抗の均一化等が求められている。また、薄膜磁気ヘッドや磁気記録媒体の構成層として用いられる磁性膜（強磁性膜、反強磁性膜、軟磁性膜、硬磁性膜等）では、磁気特性の向上および膜内の磁気特性の均一化等が求められている。

本発明の目的は、各種デバイスの高性能化等に伴って益々厳しくなってきているスパッタ膜への要求特性を満足させることを可能にしたスパッタリングターゲット、より具体的にはスパッタ膜の膜厚分布や膜組成の均一化、各種機能材料として用いられるスパッタ膜の諸特性の向上および均一化、ダスト発生数の低減等を実現可能としたスパッタリングターゲットの製造方法を提供することにある。

本発明者らは、スパッタリングにより成膜された膜の均一性や各種膜特性を高めると共に、スパッタリング中に発生するダスト数の削減等を図るために、ターゲット中に存在する進入型不純物、すなわち酸素、窒素、炭素に注目して鋭意研究した結果、これら不純物元素量のターゲットの各部位でのばらつきを低減することによって、従来達成することができなかった、優れた膜分布が得られると共に、各種膜特性を向上させることができ、さらにはターゲットから発生するダスト数の削減にも効果があることを見出した。

本発明はこのような知見に基づいてなされたものであって、本発明の第１のスパッタリングターゲットの製造方法は、Ｔａを主成分とし、全体の酸素量の平均値が３００ｐｐｍ以下であり、各部位の酸素量が全体の酸素量の平均値に対して±２０％以内の範囲にあるスパッタリングターゲットを製造する方法であって、Ｔａを主成分とする粗金属材を真空溶解して溶解材を得る工程と、前記溶解材に対して、合計加工率が２００％以上となるように径方向および軸方向への熱間加工を繰り返し行った後、さらにＴａ材の融点近傍でアニール処理する工程と、を含むことを特徴としている。

本発明の第２のスパッタリングターゲットの製造方法は、Ｔａを主成分とし、全体の窒素量の平均値が３００ｐｐｍ以下であり、各部位の窒素量が全体の窒素量の平均値に対して±４０％以内の範囲にあるスパッタリングターゲットを製造する方法であって、Ｔａを主成分とする粗金属材を真空溶解して溶解材を得る工程と、前記溶解材に対して、合計加工率が２００％以上となるように径方向および軸方向への熱間加工を繰り返し行った後、さらにＴａ材の融点近傍でアニール処理する工程と、を含むことを特徴としている。

本発明の第３のスパッタリングターゲットの製造方法は、Ｔａを主成分とし、全体の炭素量の平均値が３００ｐｐｍ以下であり、各部位の炭素量が全体の炭素量の平均値に対して±７０％以内の範囲にあるスパッタリングターゲットを製造する方法であって、Ｔａを主成分とする粗金属材を真空溶解して溶解材を得る工程と、前記溶解材に対して、合計加工率が２００％以上となるように径方向および軸方向への熱間加工を繰り返し行った後、さらにＴａ材の融点近傍でアニール処理する工程と、を含むことを特徴としている。

本発明により得られるスパッタリングターゲットによれば、従来達成することができなかった、優れた膜分布が得られると共に、各種膜特性の向上および均一化を図ることができ、さらにはダストの発生数を低減することが可能となる。このようなスパッタリングターゲットは、半導体デバイス用はもとより、記録デバイス用や液晶ディスプレイ用等の薄膜形成材として、その工業的価値は極めて高いものである。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。本発明の実施形態によるスパッタリングターゲットは、Ｔａを主成分とするスパッタリングターゲットにおいて、その内部に存在する酸素、窒素、炭素等の進入型不純物の量を単に規定するだけではなく、これら進入型不純物の含有量のターゲット各部位でのばらつきを低減したものである。

すなわち、スパッタリングターゲット中に存在する酸素については、ターゲットの各部位の酸素量をターゲット全体の酸素量の平均値に対して±２０％以内としている。また、スパッタリングターゲット中に存在する窒素については、ターゲットの各部位の窒素量をターゲット全体の窒素量の平均値に対して±４０％以内としている。さらに、スパッタリングターゲット中に存在する炭素については、ターゲットの各部位の炭素量をターゲット全体の炭素量の平均値に対して±７０％以内としている。

このように、ターゲット中に存在する進入型不純物、すなわち酸素、窒素、炭素の各含有量のターゲット各部位でのばらつきを低減することによって、従来達成することができなかった、優れた膜分布が得られると共に、各種膜の諸特性を向上させることができ、さらにターゲットから発生するダスト数を削減することが可能となる。

スパッタリングターゲット中の酸素量にばらつきが存在していると、その結果として得られる膜の酸素量がばらつくことから、膜の抵抗値、熱伝導率、膜応力、さらに磁性材料では保磁力や透磁率等の磁気特性が影響を受け、これら各種特性の面内均一性が低下する。また、膜厚分布の均一性等も低下すると共に、ダストの発生数も増加する。このため、第１のスパッタリングターゲットにおいては、各部位の酸素量をターゲット全体の酸素量の平均値に対して±２０％以内としている。各部位の酸素量はターゲット全体の平均値に対して±１５％以内とすることがさらに好ましい。

ターゲット全体としての酸素量（平均値）は３００ｐｐｍ以下とすることが好ましい。ターゲット全体としての酸素量（平均値）が３００ｐｐｍを超えると、そのばらつきの影響よりも酸素の絶対量の方がより大きく影響するようになる。ターゲット中に存在する酸素は種々の金属材料に対して影響を及ぼすことから、第１のスパッタリングターゲットはＴａを主成分とする金属材料に対して有効である。

スパッタリングターゲット中の窒素量にばらつきが存在していると、その結果として得られる膜の窒素量がばらつくことから、膜の抵抗値、熱伝導率、膜応力等が影響を受け、これら各種特性の面内均一性が低下する。膜厚分布の均一性等も低下すると共に、ダストの発生数も増加する。このため、第２のスパッタリングターゲットにおいては、各部位の窒素量をターゲット全体の窒素量の平均値に対して±４０％以内としている。各部位の窒素量はターゲット全体の平均値に対して±３０％以内とすることがさらに好ましい。

ターゲット全体としての窒素量（平均値）は３００ｐｐｍ以下とすることが好ましい。ターゲット全体としての窒素量（平均値）が３００ｐｐｍを超えると、そのばらつきの影響よりも窒素の絶対量の方がより大きく影響するようになる。ターゲット中に存在する窒素は、窒素との親和力が強い金属材料に対して影響を及ぼすことから、第２のスパッタリングターゲットはＴａを主成分とする金属材料に対して有効である。

スパッタリングターゲット中の炭素量にばらつきが存在していると、その結果として得られる膜の炭素量がばらつくことから、膜の抵抗値、熱伝導率、膜応力等が影響を受け、これら各種特性の面内均一性が低下する。膜厚分布の均一性等も低下すると共に、ダストの発生数も増加する。このため、第３のスパッタリングターゲットにおいては、各部位の炭素量をターゲット全体の炭素量の平均値に対して±７０％以内としている。各部位の炭素量はターゲット全体の平均値に対して±５０％以内とすることがさらに好ましい。

ターゲット全体としての炭素量（平均値）は３００ｐｐｍ以下とすることが好ましい。ターゲット全体としての炭素量（平均値）が３００ｐｐｍを超えると、そのばらつきの影響よりも炭素の絶対量の方がより大きく影響するようになる。ターゲット中に存在する炭素は、炭素との親和力が強い金属材料に対して影響を及ぼすことから、第３のスパッタリングターゲットはＴａを主成分とする金属材料に対して有効である。

スパッタリングターゲットは、上記した酸素量のばらつきに関する規定、窒素量のばらつきに関する規定、炭素量のばらつきに関する規定の少なくともいずれかを満足していればよいが、これらの全てを満たすことが特に好ましい。酸素量、窒素量、炭素量のばらつきに関する規定のうちの２つを満足させることで良好な結果が得られる場合もある。

本発明におけるターゲットの各部位の酸素量、窒素量および炭素量とは、図１に示すように、例えば円板状ターゲットの中心部（位置１）と、中心部を通り円周を均等に分割した４本の直線上の外周近傍位置（位置２〜９）およびその１／２の距離の位置（位置１０〜１７）からそれぞれ試料を採取し、これら１７点の試料の分析値を示すものとする。

各分析用試料の大きさは８×８×１０ｍｍとし、各試料の酸素量、窒素量および炭素量はそれぞれ５回測定を行った平均値とする。これら各位置での酸素量、窒素量および炭素量とそれぞれの平均値との変動幅が規定される。なお、酸素量は通常使用されている不活性ガス融解−赤外線吸収法で分析した値とする。窒素量は不活性ガス融解−熱伝導法で分析した値、炭素量は燃焼−赤外線吸収法で分析した値とする。

この実施形態のスパッタリングターゲットは、Ｔａ単体やＴａ合金のようなＴａを主成分とする金属材料からなるスパッタリングターゲット、特に高純度Ｔａからなるスパッタリングターゲットに好適である。スパッタリングターゲットの具体的な用途としては、配線形成用ターゲット、磁性膜形成用ターゲット、記録膜形成用ターゲット等が挙げられる。さらに、スパッタリングターゲットはＤＶＤ−ＲＡＭ媒体用ターゲット等に対しても有効である。

なお、スパッタリングターゲット中の酸素、窒素および炭素以外の不純物元素については、一般的な高純度金属材のレベル程度であれは多少含んでいてもよいが、膜特性等を向上させる上で減少およびばらつきの低減を図ることが好ましい。

本発明においてスパッタリングターゲットは、例えば以下のようにして作製することができる。ターゲット原料として溶解材を使用する場合には、溶解原料となる粗金属材中の酸素量、窒素量、炭素量を管理すると共に、これら各元素量を低減し得る真空溶解法（例えばＥＢ溶解）を適用して溶解する。真空溶解時においても、溶解開始時の雰囲気（真空度）を終了時まで維持し、溶解途中での酸素量、窒素量、炭素量の変動を抑制する。

溶解材（インゴット）は、通常、鍛造や圧延等の塑性加工が施され、さらに必要に応じて熱処理された後に、所望形状に加工されてターゲット材として使用される。この際、例えばインゴットに径方向と軸方向の熱間加工を繰り返し、合計の加工率を２００％以上とし、さらに加工後に対象材の融点近傍でアニール処理することによって、より一層酸素量、窒素量、炭素量のばらつきを抑制することができる。

また、ターゲット原料として焼結材を使用する場合には、焼結体の原料となる金属粉末中の酸素量、窒素量、炭素量を管理すると共に、粉末の混合時間、混合雰囲気、混合装置や混合メディアの材質等を適宜に設定および選択し、さらには焼結条件の最適化等を図ることによって、酸素量、窒素量、炭素量のばらつきを抑制する。

焼結材についても、通常、鍛造や圧延等の塑性加工が施され、さらに必要に応じて熱処理された後に、所望形状に加工されてターゲット材として使用される。この際に溶解材と同様な条件を選択することによって、より一層酸素量、窒素量、炭素量のばらつきを抑制することができる。

また、焼結材の場合に重要な要件は焼結時の条件であり、ホットプレスで焼結する場合には予め予圧なしで長時間脱ガス、脱炭素、脱窒素処理を行い、その後加圧することによって、酸素量、窒素量、炭素量のばらつきを抑制することができる。

次に、本発明の具体的な実施例およびその評価結果について述べる。

（実施例１、比較例１）
テルミット還元した粗Ｔａ材をプレスで固めて電極を形成した後、ＥＢ溶解を５回実施し、さらに帯溶融精練により不純物除去を行った後、２５００℃×２４時間の条件で均一化熱処理を施した。これらによって、酸素、窒素、炭素の均一分散化処理を実施した。

次に、上記したＴａインゴットに径方向と軸方向の熱間加工を繰り返し、合計の加工率を２００％以上とし、さらにＴａの融点近傍でアニール処理した後、Ａｌ製バッキングプレートに拡散接合し、さらに機械加工することによって、直径３２０ｍｍ×厚さ１０ｍｍのＴａターゲットを２枚作製した。２枚のＴａターゲットは同一原料、同一条件で作製したものであり、同一の不純物分布を有しているものと見なすことができる。

このようにして得たＴａターゲットのうち１枚は分析用として用い、前述した方法（図１参照）にしたがって各測定位置からそれぞれ分析用試料を切り出し、各試料について５回繰り返し分析を行い、その平均値を各部位における酸素量、窒素量、炭素量として求めた。表１に各部位における酸素量、窒素量、炭素量（それぞれ５回平均）とそれぞれの全体としての平均値を示す。また、表２に各部位における酸素量、窒素量、炭素量のそれぞれの全体平均に対する変動率［％］（＝（各部位の５回平均−全体平均）×１００／全体平均）を示す。

一方、比較例１として、以下のようにしてＴａターゲットを作製した。原料に市販のＥＢ溶解Ｔａインゴットを用い、冷間鍛造、冷間圧延した後、Ａｌ製バッキングプレートに拡散接合し、さらに機械加工することによって、直径３２０ｍｍ×厚さ１０ｍｍのＴａターゲットを２枚作製した。２枚のＴａターゲットは同一原料、同一条件で作製したものであり、同一の不純物分布を有しているものと見なすことができる。

これら比較例１のＴａターゲットのうち１枚は分析用として用いて、実施例１と同様にして各部位における酸素量、窒素量、炭素量を測定した。また、それぞれの全体としての平均値、各部位における酸素量、窒素量、炭素量のそれぞれの全体平均に対する変動率を求めた。これらの値を表３および表４に示す。

次に、上述した実施例１および比較例１の各Ｔａターゲットを用いて、それぞれ８インチのＳｉウェハー上にＴａ膜（膜厚約１μｍ）を成膜し、Ｓｉウェハー上に付着したダストの数をパーティクルカウンターで測定した。それらの結果を図２に示す。また、Ｔａ膜の比抵抗分布を測定した。その結果を図３に示す。これらの測定結果から明らかなように、実施例１のＴａターゲットはダストの発生数が少なく、かつ得られるＴａ膜の比抵抗分布を向上させることができる。

本発明によるスパッタリングターゲットにおける酸素量、窒素量および炭素量の測定部位を示す図である。 本発明の実施例によるＴａターゲットのダスト発生数を従来のＴａターゲットと比較して示す図である。 本発明の実施例によるＴａターゲットを用いて成膜したＴａ膜の比抵抗分布を従来のＴａターゲットによるＴａ膜と比較して示す図である。

Claims (6)

1. Ｔａを主成分とし、全体の酸素量の平均値が３００ｐｐｍ以下であり、各部位の酸素量が全体の酸素量の平均値に対して±２０％以内の範囲にあるスパッタリングターゲットを製造する方法であって、
   Ｔａを主成分とする粗金属材を真空溶解して溶解材を得る工程と、
   前記溶解材に対して、合計加工率が２００％以上となるように径方向および軸方向への熱間加工を繰り返し行った後、さらにＴａ材の融点近傍でアニール処理する工程と、
   を含むことを特徴とするスパッタリングターゲットの製造方法。
2. Ｔａを主成分とし、全体の窒素量の平均値が３００ｐｐｍ以下であり、各部位の窒素量が全体の窒素量の平均値に対して±４０％以内の範囲にあるスパッタリングターゲットを製造する方法であって、
   Ｔａを主成分とする粗金属材を真空溶解して溶解材を得る工程と、
   前記溶解材に対して、合計加工率が２００％以上となるように径方向および軸方向への熱間加工を繰り返し行った後、さらにＴａ材の融点近傍でアニール処理する工程と、
   を含むことを特徴とするスパッタリングターゲットの製造方法。
3. Ｔａを主成分とし、全体の炭素量の平均値が３００ｐｐｍ以下であり、各部位の炭素量が全体の炭素量の平均値に対して±７０％以内の範囲にあるスパッタリングターゲットを製造する方法であって、
   Ｔａを主成分とする粗金属材を真空溶解して溶解材を得る工程と、
   前記溶解材に対して、合計加工率が２００％以上となるように径方向および軸方向への熱間加工を繰り返し行った後、さらにＴａ材の融点近傍でアニール処理する工程と、
   を含むことを特徴とするスパッタリングターゲットの製造方法。
4. 請求項１記載のスパッタリングターゲットの製造方法において、
   ターゲットの各部位の窒素量がターゲット全体の窒素量の平均値に対して±４０％以内の範囲にあることを特徴とするスパッタリングターゲットの製造方法。
5. 請求項２または請求項４記載のスパッタリングターゲットの製造方法において、
   ターゲットの各部位の炭素量がターゲット全体の炭素量の平均値に対して±７０％以内の範囲にあることを特徴とするスパッタリングターゲットの製造方法。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載のスパッタリングターゲットの製造方法において、
   前記ターゲットが高純度Ｔａからなることを特徴とするスパッタリングターゲットの製造方法。

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