JP5032316B2 - 高純度ハフニウム、高純度ハフニウムからなるターゲット及び薄膜並びに高純度ハフニウムの製造方法 - Google Patents

高純度ハフニウム、高純度ハフニウムからなるターゲット及び薄膜並びに高純度ハフニウムの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、ハフニウム中に含まれる、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉの不純物含有量、Ｃａ，Ｎａ，Ｋの不純物含有量、Ａｌ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｎの不純物含有量、さらにα線のカウント数、Ｕ，Ｔｈの不純物含有量、Ｐｂ，Ｂｉの不純物含有量、さらにはガス成分であるＣ量を、それぞれ低減させた高純度ハフニウム材料、同材料からなるスパッタリング用ターゲット及びゲート絶縁膜又はメタルゲート用薄膜並びに高純度ハフニウムの製造方法に関する。
従来、ハフニウムの製造に関する多数の文献がある。ハフニウムは耐熱性、耐食性に優れており、酸素や窒素などとの親和力が大きいという特性を持っている。そして、これらの酸化物あるいは窒化物は、さらに高温での安定性に優れているため、原子力用セラミックスあるいは鉄鋼や鋳物の製造分野での耐火材として利用されている。さらに、最近では電子材料又は光材料として利用されるようになってきた。
金属ハフニウムの製造法は、金属ジルコニウムの製造方法と同一の製造方法として提案されている。その例を挙げると、フッ素含有ジルコニウム又はハフニウム化合物を不活性ガス、還元ガス又は真空中４００°Ｃ以上の温度で金属アルミニウム又はマグネシウムと反応させる方法（例えば、特許文献１参照）、塩化ジルコニウム、塩化ハフニウム又は塩化チタンを還元してそれぞれの金属を製造するという、シール金属に特徴のある製造方法（例えば、特許文献２参照）、マグネシウムで四塩化ジルコニウム又は四塩化ハフニウムをマグネシウム還元する際の反応容器の構造とその製造手法に特徴のあるハフニウム又はジルコニウムの製造法（例えば、特許文献３参照）、クロロ、ブロモ、ヨードのジルコニウム、ハフニウム、タンタル、バナジウム及びニオブ化合物蒸気をるつぼに導入して製造する方法（例えば、特許文献４参照）、ジルコニウム又はハフニウム塩化物又は酸塩化物水溶液を強塩基性陰イオン交換樹脂を用いて精製する方法（例えば、特許文献５参照）、溶媒抽出によるジルコニウムの回収方法（例えば、特許文献６参照）、給電部分に特徴を有するクリスタルバーハフニウムの製造装置（例えば、特許文献７参照）がある。
特開昭６０−１７０２７号公報 特開昭６１−２７９６４１号公報 特開昭６２−１０３３２８号公報 特表平３−５０１６３０号公報 特開平１０−２０４５５４号公報 特開昭６０−２５５６２１号公報 特開昭６１−２４２９９３号公報
上記の文献に示すように、ハフニウムの精製方法又は抽出方法が多数ある。最近ハフニウムを利用した電子部品への成膜が要求されるようになってきた。特にゲート絶縁膜、メタルゲート膜として使用されようとしている。これらの膜はＳｉ基板の直上であるため、純度の影響が大きい。特に半導体基板への汚染が問題となる。
しかし、従来はハフニウム中にジルコニウムが多量に含有されるという問題があり、また高純度化は容易には達成することができなかった。また、電子材料として、特にシリコン基板に近接して配置されるゲート絶縁膜又はメタルゲート膜として使用される場合には、ハフニウム中に含まれる不純物がどのような挙動（悪影響）をもたらすのかという知見がないために、ハフニウム中の不純物の含有は黙認されていたということがある。
これは、ハフニウムをゲート絶縁膜、メタルゲート膜等の電子部品材料として使用することが、極めて最近の技術であることが大きな原因であると考えられる。
本発明は、ジルコニウムを低減させたハフニウムスポンジを原料として使用し、さらにハフニウム中に含まれるＦｅ，Ｃｒ，Ｎｉの不純物、Ｃａ，Ｎａ，Ｋの不純物、Ａｌ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｎの不純物、さらにα線のカウント数、Ｕ，Ｔｈの不純物、Ｐｂ，Ｂｉの不純物、さらにはガス成分であるＣ量を、それぞれ低減させた高純度ハフニウムの製造方法に関し、効率的かつ安定した製造技術及びそれによって得られた高純度ハフニウム材料、同材料からなるスパッタリング用ターゲット及びゲート絶縁膜又はメタルゲート用薄膜を提供することを課題とする。
上記の課題を解決するために、本発明者らは鋭意研究を行った結果、Ｚｒとガス成分を除き６Ｎ以上の純度を有する高純度ハフニウムを提供するものであり、このような高純度ハフニウムは、特にシリコン基板に近接して配置される電子材料として、電子機器の機能を低下又は乱すことがなく、またゲート絶縁膜又はメタルゲート用薄膜等の材料として優れた特性を有する。高純度ハフニウムに含有される不純物のＦｅ，Ｃｒ，Ｎｉはそれぞれ０．２ｐｐｍ以下、Ｃａ，Ｎａ，Ｋはそれぞれ０．１ｐｐｍ以下、Ａｌ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｎはそれぞれ０．１ｐｐｍ以下である。なお、本願で表示する純度（％、ｐｐｍ、ｐｐｂ）は、全て重量（ｗｔ％、ｗｔｐｐｍ、ｗｔｐｐｂ）を意味する。
ハフニウム中に含有される不純物のＺｒを除外しているのは、高純度ハフニウムの製造の際に、Ｚｒ自体がハフニウムと化学的特性が似ているために、除去することが技術的に非常に難しいということ、さらにこの特性の近似性からして、不純物として混入していても、大きな特性の異変にはならないということからである。このような事情からある程度のＺｒの混入は黙認されるが、ハフニウム自体の特性を向上させようとする場合は、少ないことが望ましいことは、言うまでもない。
さらに、本発明のＺｒとガス成分を除き６Ｎ以上の純度を有する高純度ハフニウムは、α線のカウント数が０．０１ｃｐｈ／ｃｍ２以下であり、Ｕ，Ｔｈがそれぞれ１ｐｐｂ未満、Ｐｂ，Ｂｉがそれぞれ０．１ｐｐｍ未満であることが望ましい。本願発明はこのα線のカウント数、Ｕ，Ｔｈ含有量、Ｐｂ，Ｂｉ含有量を低減させた高純度ハフニウムを含むものである。
さらに、本発明のＺｒとガス成分を除き６Ｎ以上の純度を有する高純度ハフニウムは、 ガス成分であるＣ含有量が５０ｐｐｍ以下であることが望ましく、本願発明はこのＣ含有量を低減させた高純度ハフニウムを含むものである。
ゲート絶縁膜又はメタルゲート用薄膜等の電子材料の薄膜を形成する場合には、その多くはスパッタリングによって行われ、薄膜の形成手段として優れた方法である。したがって、上記Ｚｒとガス成分を除き６Ｎ以上の純度を有する高純度ハフニウムは、そのまま高純度ハフニウムターゲット材として形成することができる。
本発明の高純度ハフニウムからなるスパッタリングターゲットは、スパッタリングによって、材料のもつ高純度が成膜された薄膜にそのまま反映され、Ｚｒとガス成分を除き６Ｎ以上の純度を有するゲート絶縁膜又はメタルゲート用薄膜を形成することができる。
また、６Ｎ以上の純度を有するターゲット及びゲート絶縁膜又はメタルゲート用薄膜に含有する前記不純物は、全て上記不純物Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉ、不純物Ｃａ，Ｎａ，Ｋ、不純物Ａｌ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｎ、さらにα線のカウント数、不純物Ｕ，Ｔｈ、不純物Ｐｂ，Ｂｉ、さらにはガス成分であるＣ及びこれらの含有量と同等である。本願発明は、これらを全て含むものである。
Ｚｒとガス成分を除き６Ｎ以上の純度を有する高純度ハフニウムの製造に際しては、まず粗ＨｆＣｌ４を蒸留して精製し、この精製ＨｆＣｌ４を還元してハフニウムスポンジを得る。次に、このハフニウムスポンジをアノードとして溶融塩電解し、電解による電着物を得る。さらに、この電着物を電子ビーム溶解することにより、Ｚｒとガス成分を除き純度６Ｎ以上の高純度ハフニウムとすることができる。
このようにして得たＺｒとガス成分を除き純度６Ｎ以上の高純度ハフニウム中に含有される上記不純物Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉをそれぞれ０．２ｐｐｍ以下、不純物Ｃａ，Ｎａ，Ｋをそれぞれ０．１ｐｐｍ以下、Ａｌ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｎをそれぞれ０．１ｐｐｍ以下、さらにα線のカウント数０．０１ｃｐｈ／ｃｍ２以下、不純物Ｕ，Ｔｈをそれぞれ１ｐｐｂ未満、不純物Ｐｂ，Ｂｉをそれぞれ０．１ｐｐｍ未満、さらにはガス成分であるＣを５０ｐｐｍ以下とすることができる。
不純物であるＣａ，Ｎａ，Ｋ等のアルカリ金属又はアルカリ土類金属は、易移動性の元素で、素子中を容易に移動し、素子の特性を不安定にするため、少ない方が望ましい。また、不純物であるＦｅ，Ｃｒ，Ｎｉ、Ａｌ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｎ等の遷移金属、重金属等は、リーク電流の増加を引き起こし、耐圧低下の原因となるので、少ない方が望ましい。不純物であるＵ，Ｔｈ、Ｐｂ，Ｂｉは、メモリーセルの蓄積電荷が反転するというソフトエラーが発生する。したがって、これらの量を少なくすると共に、これらの元素から発生するα線量を制限する必要がある。
さらに、Ｃ量の増加は、スパッタリングの際にパーティクル発生の原因となるので、少なくすることが必要である。Ｚｒ含有量は、特に問題となるものではないが、２５００ｐｐｍ以下、さらには、１０００ｐｐｍ以下とすることができる。
不純物の含有量は、原材料に含まれる不純物量によって変動するが、上記の方法を採用することにより、それぞれの不純物を上記数値の範囲に調節が可能である。本願発明は、上記の高純度ハフニウム、高純度ハフニウムからなるターゲット及び薄膜並びに高純度ハフニウムの製造方法を提供するものである。
本発明のＺｒとガス成分を除き６Ｎ以上の純度を有する高純度ハフニウムは、不純物Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉをそれぞれ０．２ｐｐｍ以下、不純物Ｃａ，Ｎａ，Ｋをそれぞれ０．１ｐｐｍ以下、Ａｌ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｎをそれぞれ０．１ｐｐｍ以下、さらにα線のカウント数０．０１ｃｐｈ／ｃｍ２以下、不純物Ｕ，Ｔｈをそれぞれ１ｐｐｂ未満、不純物Ｐｂ，Ｂｉをそれぞれ０．１ｐｐｍ未満、さらにはガス成分であるＣを５０ｐｐｍ以下としたものであり、特にシリコン基板に近接して配置される電子材料として、電子機器の機能を低下又は乱すことがなく、またゲート絶縁膜又はメタルゲート用薄膜等の材料として優れた効果を有する。
さらに、本願発明の製造方法は、Ｚｒとガス成分を除き６Ｎ以上の純度を有する高純度ハフニウムを安定して製造できるという効果を有する。
本発明は、Ｚｒを除去したハフニウムスポンジを原料とする。原料として、四塩化ハフニウム（ＨｆＣｌ４）を使用する。四塩化ハフニウムは、市販の材料を使用することができる。この市販の四塩化ハフニウムはＺｒを５ｗｔ％程度含有している。なお、原料としてハフニウム（Ｈｆ）メタル、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）を用いても良い。これらの原料は、Ｚｒを除き、純度３Ｎレベルのものであり、Ｚｒ以外の主な不純物として、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ等が含有されている。
まず、この四塩化ハフニウム原料を純水に溶解する。次に、これを多段の有機溶媒抽出を行う。通常１〜１０段の溶媒抽出を行う。抽出剤としてはＴＢＰを使用することができる。これによってＺｒを５０００ｗｔｐｐｍ以下にすることができる。
次に、中和処理して酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）を得る。この酸化ハフニウムを塩素化して高純度四塩化ハフニウム（ＨｆＣｌ４）を得る。
以上については、すでに公知の技術であり、本願発明は、高純度四塩化ハフニウム（ＨｆＣｌ４）の原料から出発する。
このＨｆＣｌ４を蒸留し、精製する。このようにして得たＨｆＣｌ４を、塩化力の強いＭｇ等の金属を使用して還元し、純度３Ｎレベルのハフニウムスポンジを得る。この純度３Ｎのハフニウムスポンジをアノードとし、ＮａＣｌ−ＫＣｌ−ＨｆＣｌ４等の電解浴を用いて７００〜１０００°Ｃで電解して電析ハフニウムを得、この電析ハフニウムを純水で洗浄し、弗硝酸で軽くエッチングする。
このようにして得られた電着物を、Ｃｕるつぼの中に導入し一旦電子ビーム溶解（ハース溶解）し、これに順次電析ハフニウムを投入する。プール上部よりあふれたハフニウム溶湯がインゴット上部に流れ込む。ここでも溶湯の状態であり、このようにハースとインゴット化時に、２度の溶解を一連の電子ビーム操作で行うことにより、純度を上げることができる。
このように炭素、酸素、窒素等のガス成分及びジルコニウムを除き、これによってＺｒとガス成分を除き純度６Ｎ（９９．９９９９％）以上の高純度ハフニウムインゴットを得ることができる。また、この高純度ハフニウムを使用して高純度ハフニウムターゲットを製造することができる。ターゲットのα線量をガスフォロー比例計数管方式の測定装置を用いて測定した結果、α線量は０．０１ｃｐｈ／ｃｍ２以下である。
さらに、この高純度ターゲットを用いてスパッタリングすることにより高純度ハフニウムを基板上に成膜することができる。
ターゲットの製造は、鍛造・圧延・切削・仕上げ加工（研磨）等の、通常の加工により製造することができる。特に、その製造工程に制限はなく、任意に選択することができる。
次に、実施例について説明する。なお、この実施例は理解を容易にするためのものであり、本発明を制限するものではない。すなわち、本発明の技術思想の範囲内における、他の実施例及び変形は、本発明に含まれるものである。
（実施例１）
粗ＨｆＣｌ４を約３２０°Ｃの温度で蒸留して精製した。この精製ＨｆＣｌ４を塩化力の強い、Ｍｇ金属を使用して還元し純度３Ｎのハフニウムスポンジを得た。蒸留精製の段階で、Ｚｒ不純物は、５０００ｐｐｍレベルから８００ｐｐｍレベルに低減した。
この純度３Ｎのハフニウムスポンジをアノードとし、ＮａＣｌ−ＫＣｌ−ＨｆＣｌ４の電解浴を用いて７２０°Ｃで電解し、電析ハフニウムを得た。この電析ハフニウムを純水で洗浄し、弗硝酸で軽くエッチングする。これによって、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｎ，Ｕ，Ｔｈ，及びＣを除去することができた。特に、Ｗ，Ｃ，Ｕ，Ｔｈの低減効果が著しい。
このようにして得られた電着物を、Ｃｕるつぼの中に導入し一旦電子ビーム溶解（ハース溶解）し、これに順次ハフニウムを投入する。プール上部よりあふれたハフニウム溶湯がインゴット上部に流れ込む。ここでも溶湯の状態であり、このようにハースとインゴット化時に、２度の溶解を一連の電子ビーム操作で行うことにより、純度を上げることができる。これによって、Ｗ，Ｃ，Ｕ，Ｔｈ以外の上記不純物及びＣａ，Ｎａ，Ｋも効果的に除去することができた。
以上により、ジルコニウムを除き、純度６Ｎ（９９．９９９９％）レベルの高純度ハフニウムインゴットを得ることができた。インゴットのトップ（上部）とボトム（低部）との化学分析値（ＧＤＭＳ分析）を表１に示す。
不純物は、それぞれＦｅ＜０．０１ｐｐｍ、Ｃｒ＜０．０１ｐｐｍ、Ｎｉ：０．０４〜０．０８ｐｐｍとなり、Ｃａ＜０．０１ｐｐｍ、Ｎａ：＜０．０１ｐｐｍ、Ｋ＜０．０１ｐｐｍとなり、Ａｌ：＜０．０１ｐｐｍ、Ｃｏ＜０．０１ｐｐｍ、Ｃｕ＜０．０５ｐｐｍ、Ｔｉ＜０．０１ｐｐｍ、Ｗ：０．０１ｐｐｍ、Ｚｎ＜０．０１ｐｐｍとなり、さらにα線のカウント数が＜０．００４ｃｐｈ／ｃｍ２、Ｕ＜０．００１ｐｐｍ、Ｔｈ＜０．００１ｐｐｍ、Ｐｂ＜０．０１ｐｐｍ、Ｂｉ＜０．０１ｐｐｍとなり、さらにはＣ量が１０ｐｐｍとなった。
これらは、インゴットのトップの分析値を示したものであり、若干の相違があったが、ボトム部も殆んど同様の不純物量であった。いずれも本願発明の条件を満たしていた。
このインゴットから得たスパッタリングターゲットは、同様に高純度を維持することができ、これをスパッタすることにより均一な特性の高純度ハフニウムの薄膜を基板上に形成することができた。
Figure 0005032316
（実施例２）
実施例１と同様に、粗ＨｆＣｌ４を約３２０°Ｃの温度で蒸留して精製した。この精製ＨｆＣｌ４を塩化力の強い、Ｍｇ金属を使用して還元し純度３Ｎのハフニウムスポンジを得た。この段階で、Ｚｒ不純物は、５０００ｐｐｍレベルから８００ｐｐｍレベルに低減した。この純度３Ｎのハフニウムスポンジをアノードとし、ＮａＣｌ−ＫＣｌ−ＨｆＣｌ４の電解浴を用いて７２０°Ｃで電解し、電析ハフニウムを得た。この電析ハフニウムを純水で洗浄し、弗硝酸で軽くエッチングする。これによって、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｎ，Ｕ，Ｔｈ，及びＣを除去することができた。特に、Ｗ，Ｃ，Ｕ，Ｔｈの低減効果が著しい。
このようにして得られた電着物を、Ｃｕるつぼの中に導入し電子ビーム溶解した。なお、本実施例２と実施例１との相異は、本実施例２がハース溶解を実施していない点である。これより、ジルコニウムを除き、純度６Ｎ（９９．９９９９％）レベルの高純度ハフニウムインゴットを得ることができた。インゴットのトップ（上部）とボトム（低部）との化学分析値（ＧＤＭＳ分析）を、同様に表１に示す。
不純物は、それぞれＦｅ：０．０１〜０．０５ｐｐｍ、Ｃｒ＜０．０１ｐｐｍ、Ｎｉ：０．１０〜０．１８ｐｐｍとなり、Ｃａ＜０．０１ｐｐｍ、Ｎａ：＜０．０１ｐｐｍ、Ｋ＜０．０１ｐｐｍとなり、Ａｌ＜０．０１ｐｐｍ、Ｃｏ＜０．０１ｐｐｍ、Ｃｕ＜０．０５ｐｐｍ、Ｔｉ：０．０３〜０．０５ｐｐｍ、Ｗ：＜０．０１ｐｐｍ、Ｚｎ＜０．０１ｐｐｍとなり、さらにα線のカウント数が０．００４ｃｐｈ／ｃｍ２、Ｕ＜０．００１ｐｐｍ、Ｔｈ＜０．００１ｐｐｍ、Ｐｂ＜０．０１ｐｐｍ、Ｂｉ＜０．０１ｐｐｍとなり、さらにはＣ量が１０〜３０ｐｐｍとなった。
これらは、インゴットのトップの分析値を示したものであり、若干の相違があったが、ボトム部も殆んど同様の不純物量であった。いずれも本願発明の条件を満たしていた。このインゴットから得たスパッタリングターゲットは、同様に高純度を維持することができ、これをスパッタすることにより均一な特性の高純度ハフニウムの薄膜を基板上に形成することができた。
本発明のＺｒとガス成分を除き６Ｎ以上の純度を有する高純度ハフニウムは、不純物Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉをそれぞれ０．２ｐｐｍ以下、不純物Ｃａ，Ｎａ，Ｋをそれぞれ０．１ｐｐｍ以下、Ａｌ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｎをそれぞれ０．１ｐｐｍ以下、さらにα線のカウント数０．０１ｃｐｈ／ｃｍ２以下、不純物Ｕ，Ｔｈをそれぞれ１ｐｐｂ未満、不純物Ｐｂ，Ｂｉをそれぞれ０．１ｐｐｍ未満、さらにはガス成分であるＣを５０ｐｐｍ以下としたものであり、特にシリコン基板に近接して配置される電子材料として、電子機器の機能を低下又は乱すことがないので、ゲート絶縁膜又はメタルゲート用薄膜等の材料として有用である。

Claims (6)

  1. Ｚｒとガス成分を除き純度６Ｎ以上であって、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉがそれぞれ０．２ｗｔｐｐｍ以下、Ｃａ，Ｎａ，Ｋがそれぞれ０．１ｗｔｐｐｍ以下、Ａｌ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｎがそれぞれ０．１ｗｔｐｐｍ以下、Ｕ，Ｔｈがそれぞれ１ｗｔｐｐｂ未満、Ｐｂ，Ｂｉがそれぞれ０．１ｗｔｐｐｍ未満、Ｚｒが８００ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする高純度ハフニウム。
  2. α線のカウント数が０．０１ｃｐｈ／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１記載の高純度ハフニウム。
  3. ガス成分であるＣ含有量が５０ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の高純度ハフニウム。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の高純度ハフニウムからなるスパッタリング用ターゲット。
  5. 請求項１〜３のいずれかに記載の高純度ハフニウムを含有するゲート絶縁膜又はメタルゲート用薄膜。
  6. 粗ＨｆＣｌ４を蒸留して精製し、この精製ＨｆＣｌ４を還元してハフニウムスポンジを得、さらにこのハフニウムスポンジをアノードとして溶融塩電解し、電解による電着物を酸でエッチングし、その後、ハースで電子ビーム溶解し、次いで、インゴット化時に電子ビーム溶解することにより、Ｚｒとガス成分を除き純度６Ｎ以上であり、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉがそれぞれ０．２ｗｔｐｐｍ以下、Ｃａ，Ｎａ，Ｋがそれぞれ０．１ｗｔｐｐｍ以下、Ａｌ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｎがそれぞれ０．１ｗｔｐｐｍ以下、Ｕ，Ｔｈがそれぞれ１ｗｔｐｐｂ未満、Ｐｂ，Ｂｉがそれぞれ０．１ｗｔｐｐｍ未満、Ｚｒが８００ｗｔｐｐｍ以下である高純度ハフニウムとすることを特徴とする高純度ハフニウムの製造方法。
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