JP6839842B2

JP6839842B2 - セラミックス製スパッタリングターゲット及びその製造方法

Info

Publication number: JP6839842B2
Application number: JP2017035884A
Authority: JP
Inventors: 義之道祖土; 卓眞柴山
Original assignee: Kojundo Kagaku Kenkyusho KK
Current assignee: Kojundo Kagaku Kenkyusho KK
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2017-02-28
Publication date: 2021-03-10
Anticipated expiration: 2037-02-28
Also published as: JP2018141202A

Description

本発明は、スパッタリング時に発生するパーティクル数が低減されるセラミックス製スパッタリングターゲット及びその製造方法に関する。

スパッタリングは、主に半導体デバイスの分野において、半導体デバイスを構成する薄膜の形成に用いられている。そして、スパッタリングによって薄膜を形成する際は、スパッタリング源となるスパッタリングターゲットの表面を、加速された粒子によってスパッタする。このとき、運動量の交換により、スパッタリングターゲットを構成する原子が空間に放出される。スパッタリングターゲットに対向する位置に基板を配しておくことで、スパッタリングターゲットから放出された粒子が基板上に堆積し、基板上に薄膜が形成される。

ところで、スパッタリングによって薄膜を形成する際に、通常、スパッタリングの最中にスパッタリングターゲットからパーティクルと呼ばれる微細な粉塵が生じる。スパッタリングによって半導体デバイスを作製する際に、このようなパーティクルが半導体デバイスに付着すると、半導体デバイスの不良の原因となる。特に近年、半導体デバイスを用いた集積回路は、ますます高集積化されており、このようなパーティクルが、集積回路の歩留まり低下の大きな原因となっている。それゆえ、このようなパーティクルの発生を抑えることが非常に重要な課題となっている。

スパッタされる面の算術平均粗さＲａが０．０１μｍ以下であるスパッタリングターゲットが提案されている（特許文献１）。特許文献１では、スパッタリング時に生じるパーティクルの量は、スパッタリングターゲット表面の粗度に依存するとし、スパッタされる面に、鏡面加工を施して平滑な面とすることにより、パーティクルの発生量を低減している。

しかしながら、スパッタリングターゲットが単一金属か合金である場合は、パーティクルの発生が比較的抑えられるものの、スパッタリングターゲットが、酸化物、窒化物、硫化物、ヨウ化物、臭化物などのセラミックス製である場合、特許文献１の発明である、表面の全面を鏡面にしたスパッタリングターゲットでは、表面の全面を鏡面にしていないスパッタリングターゲットよりも、より多くのパーティクルが発生してしまう。この理由として、ターゲットが単一金属か合金であれば、これらの粒子（パーティクル）が逆スパッタリング（リデポジッション）によってターゲット表面の鏡面部分に付着すると、そのまま固着するが、セラミックスの場合、一般に高融点で表面エネルギーが小さいため、一旦パーティクルが鏡面部分に付着しても、固着せずに分離しやすいためである。このため、セラミックス製ターゲットでもパーティクル数が増加しない、新規なスパッタリングターゲットが要望されていた。

特許第３８６７３２８号公報

本発明は、スパッタ中に発生するパーティクル数が低減される酸化物等のセラミックス製スパッタリングターゲット及びその製造方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、上記した課題を解決するために鋭意研究した結果、鏡面にしたセラミックス製スパッタリングターゲットでスパッタした時に生ずるパーティクル数の増加は、スパッタリングターゲット表面のスパッタされない部分の表面粗さに依存し、スパッタされない面を所定の算術平均粗さＲａを有する粗い面とすることにより、パーティクルの発生量を低減できることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は以下の事項からなる。
本発明のセラミックス製スパッタリングターゲットは、スパッタされる面側のスパッタされる部分の算術平均粗さＲａが０．０３μｍ以下であり、スパッタされる面側のスパッタされない部分の算術平均粗さＲａが０．２μｍ以上であることを特徴とする。
本発明では、上記の構成を有することで、スパッタリングに際して、パーティクル数の増加を防止でき、また、パーティクル数を、スパッタ面全体の算術平均粗さＲａを０．０３μｍ以下とした場合に比べて低減することができる。

本発明のセラミックス製スパッタリングターゲットの製造方法は、スパッタされる面側のスパッタされる部分の算術平均粗さＲａが０．０３μｍ以下となり、スパッタされる面側のスパッタされない部分の算術平均粗さＲａが０．２μｍ以上となるように、表面加工を施すことを特徴とする。

上記製造方法では、メカノケミカル研磨によって、スパッタされる面側のスパッタされる部分の算術平均粗さＲａが０．０３μｍ以下となるように、前記表面加工を施すことが好ましい。
また、スパッタされる面側のスパッタされない部分の算術平均粗さＲａが０．２μｍ以上となるように、サンドブラスト、ショットブラスト又はレーザーによって、前記表面加工を施すことが好ましい。

本発明によれば、酸化物等のセラミックス製スパッタリングターゲットでスパッタした時に生ずるパーティクル数の増加は、スパッタリングターゲット表面のスパッタされない面の粗度に依存し、スパッタされない面の一部を平滑でない粗い面とすることにより、パーティクルの発生量を低減することができる。具体的には、スパッタリングターゲットのスパッタされる部分の算術平均粗さＲａを０．０３μｍ以下とし、スパッタされない部分の算術平均粗さＲａを０．２μｍ以上とすることで、スパッタリング時に発生するパーティクル数を効果的に低減することができる。

よって、上記セラミックス製スパッタリングターゲットを用いれば、半導体デバイス等を作製する際に、パーティクルに起因する不良を低減することができ、歩留まりを向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るスパッタリングターゲットの斜視図である。本発明の一実施形態に係るスパッタリングターゲットの平面図である。本発明の一実施形態に係るスパッタリングターゲットの斜視図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、本発明は、以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更することができる。

本発明のセラミックス製スパッタリングターゲット（以下単に「スパッタリングターゲット」又は「ターゲット」ともいう。）は、スパッタされる面側のスパッタされる部分（以下「スパッタ面」ともいう。）の算術平均粗さＲａが０．０３μｍ以下であり、スパッタされる面側のスパッタされない部分（以下「非スパッタ面」ともいう。）の算術平均粗さＲａが０．２μｍ以上であることを特徴とする。

図１に示すように、本発明のセラミックス製スパッタリングターゲットは、通常、円盤状に形成されたセラミックスからなる。ただし、使用するスパッタ装置に適合するような形状であるならば、円盤状でなくてもよく、矩形、三角形又は円筒形であってもよい。なお、円筒形の場合は、スパッタ中にスパッタリングターゲットを回転させながら行う。

例えば、図１に示す円盤状のスパッタリングターゲットでは、スパッタ面２の大きさは、通常、外周（０％）から半径方向に１３％の位置から、７２〜１００％の位置までの範囲内である。一方、非スパッタ面３の大きさは、通常、外周（０％）から半径方向に２〜１３％の位置までの範囲内、及び／又は、中心（０％）から１２〜３３％の位置までの範囲内である。なお、外周から中心までの距離、すなわち、半径の長さを１００％とする。上記スパッタリングターゲットにおいて、スパッタ面２及び非スパッタ面３の割合が前記範囲内にあるとき、スパッタリング中のパーティクルの発生を効果的に抑えることができる。

前記セラミックスとしては、例えば、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃及びＴａ₂Ｏ₅等の酸化物、窒化物、硫化物、ヨウ化物、臭化物等が挙げられる。前述のとおり、セラミックスは一般に、高融点で表面エネルギーが小さいため、一旦パーティクルが鏡面部分に付着しても、固着せずに分離しやすく、特に酸化物や窒化物ではその傾向が強い。一方、硫化物、ヨウ化物、臭化物は、酸化物や窒化物に比べて融点が低く、面粗度を粗くする効果は相対的に低い。そのため、スパッタリングターゲットの材料としては、ＭｇＯ及びＡｌ₂Ｏ₃等が好ましく、ＭｇＯがより好ましい。

また、スパッタリングターゲットの材料には、目的とする薄膜に合わせて、主成分であるＭｇＯと様々な材料とを組み合わせてもよい。例えば、ＭｇＯに、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＴｉＯ、ＴｉＣ、ＶＣ、ＷＣ、又はＴｉＮ等を添加したような混合物や合金が使用可能である。

そして、このスパッタリングターゲットは、スパッタリングターゲットの支持及び冷却を目的としてバッキングプレートに接合された上で、スパッタ装置内に配置されて、スパッタリングによる薄膜形成におけるスパッタ源として使用される。

ところで、スパッタリングターゲットとしてＭｇや、Ｍｇと上記化合物との合金からなるものを使用し、スパッタリングによってＭｇ膜を形成した後、Ｍｇ薄膜やＭｇ合金薄膜を熱酸化するようなプロセスは、一般に、単なるＭｇＯ膜を形成するようなプロセスに比べて、スパッタリング中のパーティクルの発生量が少ない傾向にある。しかしながら、本発明のセラミックス製スパッタリングターゲットは、その材料に、熱酸化を行わずに、ＭｇＯ薄膜やＭｇ合金の酸化薄膜を形成するようなプロセスに使用されるＭｇ又はＭｇ合金を使用した場合にも、同様の効果を発揮し、さらにパーティクル数を減少させることができる。

スパッタリングターゲットの結晶粒径は、本発明の効果を得るのに、それほど大きな影響は与えるわけではないが、結晶粒径を微細化した方がスパッタリングターゲット表面のスパッタされる部分の算術平均粗さＲａを効率的に０．０３μｍ以下にすることができることから、概ね８０μｍ以下とすることが好ましい。

一方、非スパッタ面３は、その算術平均粗さＲａを０．２μｍ以上とする。非スパッタ面３の算術平均粗さＲａを０．２μｍ以上とすることで、当該部分のアンカー効果により、一旦付着したスパッタ粒子は、さらに飛んできたスパッタ粒子により弾き飛ばされることがなくなり、スパッタリング中にパーティクル数が増加する現象を効果的に抑えることができる。非スパッタ面３の算術平均粗さＲａの上限は、概ね１．５μｍ以下である。

次に、以上のようなスパッタリングターゲットの製造方法について、例を挙げて説明する。
先ず、底にカーボン製円板を敷いたリング状のカーボン型内部に所定量のＭｇＯ粉を必要な厚さが得られる程度に装入する。装入後、カーボン製円板で蓋をし、カーボン型を真空ホットプレス内に設置し、ＭｇＯ粉を焼結するのに必要な温度に加熱しながら、上記したカーボン製円板を介してリング状のカーボン上下方向から圧力を加え、焼結させる。焼結後、焼結して円板状になったＭｇＯ焼結体をカーボン型から取り出し、必要に応じて機械加工を施して、図１に示すような円盤を形成する。

次に、得られたＭｇＯ焼結体の鏡面加工について説明する。スパッタ面の算術平均粗さＲａを０．０３μｍ以下にするには、例えば、超微粒の＃８００００のダイヤモンドを含有するカップ砥石でスパッタ面２に対して研削することにより、該スパッタ面２の算術平均粗さＲａを０．０３μｍ以下とすることができる。通常、超微粒の砥粒を使用すると砥石が目詰まりが生し、研削を続行することができなくなるが、特許第２５６５３８５号公報によるエリッド研削法を使用することにより、砥石が目詰まりすることなく、研削を継続することができる。

算術平均粗さＲａを効率的に０．０３μｍ以下にする方法は、以上のような機械的な研削による方法に限られず、例えば、シリコンウエハを鏡面にする方法として用いられている機械的な研磨と、化学的なエッチングとを組み合わせたメカノケミカル研磨による方法であってもよい。メカノケミカル研磨とは、例えば、ｐＨ９．５〜１１．５程度の弱アルカリ性溶液に、ナノメーターの粒子径を有する超微粒のコロイダルシリカからなる砥粒を２０〜３０％程度分散させた研磨液を用いて、研磨液中の砥粒による機械的研磨と、アルカリ性溶液による化学的なエッチングとを組み合わせてＭｇＯ焼結体を研磨する方法である。このようなメカノケミカル研磨では、研磨液の溶液の濃度やｐＨを変化させることで化学的機械的研磨の速度を制御することが可能である。

本発明では、スパッタリングターゲットに対して、このような機械的な研磨やメカノケミカル研磨により、スパッタ面２のスパッタされる部分に対して、鏡面加工を施すことが好ましい。

非スパッタ面３は、ショットブラスト又はサンドブラスト等のブラスト処理や、レーザーにより表面を粗くする方法（特許第５７２７７４０号公報）により、その算術平均粗さＲａを０．２μｍ以上にすることができる。このとき、スパッタ面２をフィルム又はレジストによって被覆してから、サンドブラスト、ショットブラスト又はレーザーによって非スパッタ面３の算術平均粗さＲａが０．２μｍ以上となるように、該表面加工を施すことが好ましい。

上記のように、本発明のセラミックス製スパッタリングターゲットは、通常、ターゲット表面全体を鏡面化した後、その一部を粗面化することで、スパッタ面２のＲａを０．０３μｍ以下とし、非スパッタ面のＲａを０．２μｍ以上とするが、鏡面化及び粗面化の工程は逆の順に行ってもよい。その場合、鏡面化の工程の際には、鏡面化が不要な部分にフィルム等によりマスキングを行い、その表面の素地を維持するとよい。

すなわち、本発明では、ターゲットのスパッタ面２に対して鏡面加工を施して粗度を小さくし、非スパッタ面に対しては鏡面加工を施さず、粗度の比較的大きくするのが好ましい。このような構造にすることで、スパッタリング中のパーティクルの発生量を低減することができる。

なお、パーティクルの発生量を低減するという観点からは、スパッタ面２の算術平均粗さＲａはできるだけ小さくしたほうが好ましい。しかしながら、算術平均粗さＲａをあまりに小さくしようとすると、鏡面加工に多大な手間や時間がかかる。本発明者らは、スパッタ面２の算術平均粗さＲａを０．０３μｍ程度以下にすれば、パーティクルの発生量を低減するという効果が得られることを見出した。よって、スパッタ面の粗度は、スパッタ面２の算術（中心線）平均粗さＲａが０．０３μｍ以下の範囲で、パーティクル発生量に対する許容範囲と、鏡面加工にかけることができる手間や時間等との兼ね合いで、適宜選定すればよい。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は下記実施例により制限されるものではない。

［実施例１］
図１のように、外周部及び中心部に非鏡面範囲（非スパッタ面）を有し、その間に鏡面範囲（スパッタ面）をリング状に有するターゲットとして、結晶粒径が約１０μｍのＭｇＯからなり、スパッタ面に鏡面加工を施した円盤状のスパッタリングターゲットを用意した。このスパッタリングターゲットのスパッタ面は非常に滑らかであり、その算術平均粗さＲａは、約０．０２μｍであった。
このスパッタリングターゲットを用いて、基板上にＭｇＯ薄膜を形成したときに生じる０．２μｍ以上のパーティクル数及び表面粗さＲａを測定した。パーティクル数の計測は、トプコン製ウエハ表面検査装置により、表面粗さＲａの測定は、ミツトヨ製表面粗さ測定機、又はセイコーインスツル製走査型プローブ顕微鏡により行った。
意した。
表１に、ターゲットにおけるスパッタ面及び非スパッタ面の大きさを、ターゲットの中心から外周までの半径比率で表す。また、ターゲットライフ初期（スパッタリング開始から〜５０ｋＷｈ）、中期（５０〜２００ｋＷｈ）、及び末期（２００〜３００ｋＷｈ）のそれぞれのパーティクル数（個数）を示す。

［比較例１］
従来の製造方法によって製造されたスパッタリングターゲットであって、結晶粒径が約１０μｍのＭｇＯからなり、スパッタ面に対して全く鏡面加工を施していないスパッタリングターゲットを用いて、実施例１と同様に、基板上にＭｇＯ薄膜を形成し、０．２μｍ以上のパーティクル数及び表面粗さを測定した。
このスパッタリングターゲットのスパッタ面は非常に粗く、その算術平均粗さＲａは、約０．５μｍであった。
ターゲットライフ初期、中期及び末期のそれぞれのパーティクル数を表１に示す。

［比較例２］
結晶粒径が約１０μｍのＭｇＯからなり、スパッタ面の全面に対して鏡面加工を施したスパッタリングターゲットを用いて、実施例１と同様に、基板上にＭｇＯ薄膜を形成し、０．２μｍ以上のパーティクル数及び表面粗さを測定した。
このスパッタリングターゲットのスパッタ面は非常に滑らかであり、その算術平均粗さＲａは、約０．０２μｍであり、スパッタされない部分は非常に粗く、その算術平均粗さＲａは、約０．５μｍであった。
ターゲットライフ初期、中期及び末期のそれぞれのパーティクル数を表１に示す。

表１より、スパッタ面に対して鏡面加工が施された実施例１のスパッタリングターゲットでは、比較例１及び比較例２のスパッタリングターゲットよりも、明らかにパーティクルの発生量が少ないことがわかる。

以上の結果から、スパッタ面に対して鏡面加工を施すことで、スパッタリングの最中にスパッタリングターゲットから発生するパーティクル量を、大幅に低減することができる。

１表層
２スパッタ面（スパッタされる部分）
３非スパッタ面（スパッタされない部分）
４非スパッタ面（スパッタされない部分）

Claims

円盤状のＭｇＯスパッタリングターゲットであり、
スパッタされる面側のスパッタされる部分の算術平均粗さＲａが０．０３μｍ以下であり、
スパッタされる面側のスパッタされない部分の算術平均粗さＲａが０．２μｍ以上であり、
前記ＭｇＯスパッタリングターゲットの半径の長さを１００％としたとき、
前記スパッタされる面側のスパッタされる部分の大きさが、中心（０％）から半径方向に３３〜９８％の範囲であり、前記スパッタされる面側のスパッタされない部分の大きさが、中心（０％）から半径方向に０〜３３％及び９８〜１００％の範囲であることを特徴とするセラミックス製スパッタリングターゲット。
円盤状のＭｇＯスパッタリングターゲットの、
スパッタされる面側のスパッタされる部分の算術平均粗さＲａが０．０３μｍ以下となり、スパッタされる面側のスパッタされない部分の算術平均粗さＲａが０．２μｍ以上となり、
前記ＭｇＯスパッタリングターゲットの半径の長さを１００％としたとき、
前記スパッタされる面側のスパッタされる部分の大きさが、中心（０％）から半径方向に３３〜９８％の範囲であり、前記スパッタされる面側のスパッタされない部分の大きさが、中心（０％）から半径方向に０〜３３％及び９８〜１００％の範囲となるように、表面加工を施すことを特徴とするセラミックス製スパッタリングターゲットの製造方法。
メカノケミカル研磨によって、スパッタされる面側のスパッタされる部分の算術平均粗さＲａが０．０３μｍ以下となるように、前記表面加工を施すことを特徴とする請求項２に記載のセラミックス製スパッタリングターゲットの製造方法。
サンドブラスト、ショットブラスト又はレーザーによって、スパッタされる面側のスパッタされない部分の算術平均粗さＲａが０．２μｍ以上となるように、前記表面加工を施すことを特徴とする請求項３に記載のセラミックス製スパッタリングターゲットの製造方法。