JPH0621346B2 - 高純度金属タンタル製ターゲットの製造方法 - Google Patents

高純度金属タンタル製ターゲットの製造方法

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JPH0621346B2
JPH0621346B2 JP13380286A JP13380286A JPH0621346B2 JP H0621346 B2 JPH0621346 B2 JP H0621346B2 JP 13380286 A JP13380286 A JP 13380286A JP 13380286 A JP13380286 A JP 13380286A JP H0621346 B2 JPH0621346 B2 JP H0621346B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、高純度金属タンタル(Ta)製ターゲツトの
製造方法に関するものであり、特には半導体デバイス用
のタンタル酸化膜(Ta膜)の形成に用いられる
スパツタ用の高純度金属タンタル製ターゲツトの製造方
法に関する。本発明タンタル製ターゲツトを用いて形成
されたTa膜は、半導体デバイスに有害な作用を
与える不純物が極微量にまで低減されており、半導体デ
バイスにおける絶縁膜として非常に好適である。更に、
本発明タンタル製ターゲツトは、LSI電極膜形成にも
好適である。
発明の背景 従来、半導体デバイスにおける電極配線層間の絶縁膜と
してはシリコン酸化膜(SiO膜)が用いられてきた
が、LSIの高集積化に伴う絶縁膜の薄膜化のためにシ
リコン酸化膜では性能不足となり、もつと誘電率の高い
タンタル酸化膜(Ta膜)を用いようとする試み
が盛んに行われている。また、大容量MOS d RA
M(dynamic Random Access Memory)のキヤパシタ用誘
電体としての高誘電率のTaに現在大きな注目が
集められている。こうしたTa膜は代表的にタン
タル製ターゲツトをアルゴン−酸素混合ガス中でスパツ
タすることにより形成されるが、スパツタTa
膜は膜中に多くのトラツプ中心を含むためリーク電流が
流れやすい。リーク電流の原因としては、残留不純物が
その主たるものとして考えられている。従つて、リーク
電流を減少するためには、残留不純物の低減化が必要で
ある。
更に、半導体デバイス素子の性能の信頼性を向上するた
めに、 (1)Na,K,Li等のアルカリ金属、 (2)U,Th等の放射性元素、 (3)Fe,Cr,Ni,Mn等の遷移金属 のような不純物の低減化が必要である。Na等のアルカ
リ金属は、ゲート絶縁膜中を容易に移動し、界面特性を
劣化させ、又U等の放射性元素は該元素より放出するα
線によつて素子の動作信頼性に致命的影響を与える。Fe
等の遷移金属も動作の信頼性を阻害する。これらの理由
からアルカリ金属及び放射性元素ならびに遷移金属等の
不純物の低減化がVLSI構成材料としての使用におけ
る基本である。
上記Ta絶縁膜とは別に、金属タンタル被膜を、
LSIゲート電極、ソース電極、ドレン電極のような電
極被膜として使用することも検討されつつある。従来、
こうした電極としては多結晶シリコンが用いられてきた
が、信号伝搬遅延の問題やセルフアライン法によるMO
S素子形成の問題が認識され、多結晶シリコンより抵抗
の低い高融点金属及びそのシリサイドを使用する試みが
盛んに行われている。タングステン、モリブデン等と並
んでタンタルもまたその有力な候補の一つである。こう
したタンタル電極においても、上記のような不純物の低
減化が要求されるのはもちろんである。
金属タンタルにせよ、タンタル酸化物にせよ、その被膜
は代表的にスパツタ法及び蒸着法により形成される。ス
パツタ法は金属のターゲツト板にアルゴンイオンを衝突
させて金属を放出させ、放出金属をターゲツト板に対向
した基板に堆積させる方法である。一方、電子ビーム蒸
着法は、電子ビームにより蒸発源を溶解し、蒸着を行う
方法である。従つて、生成膜の純度はターゲツト板或い
は蒸発源の純度により決定されてしまう。従つて、金属
タンタル或いはTa被膜の高純度化を図るために
はその原材料たるスパツタターゲツト板或いは電子ビー
ム蒸着源の高純度化が必要である。尚、本明細書におい
ては、スパツタ源或いは蒸着源としての板状その他の形
態のタンタル材料を包括してタンタル製ターゲツトと呼
ぶ。
従来技術とその問題点 現在市販されているタンタル製ターゲツトは、市販の純
度99.9%の金属タンタル粉末を成型、焼結及び溶解
した後、機械加工を行なうことにより製造されている。
その不純物品位は、一般に、Na、K等のアルカリ金属
が100ppb以下、U等の放射性元素が5ppb以下そし
て、Fe、Ni、Cr、Mn等の遷移金属が1ppm以下
であり、これら不純物品位については特に問題はない。
しかしながら、最近、Nb、Mo、W、Zr、Hf等の
高融点金属不純物の存在にも注意が払われるようになつ
た。これは、高融点金属の酸化物、特にモリブデンやタ
ングステンの酸化物は電気伝導度が高く酸化タンタル膜
のリーク電流の原因となることが新たに認識されるよう
になつたからである。市販タンタル製ターゲツトのNb
含有量は数十ppmでありそしてMo、W、Zr等は1〜
10ppmである。これら高融点金属不純物の含有量は、
LSIの他構成材料であるシリコンやモリブデン等に較
べて2桁以上高い値である。従つて、その含有量を2桁
以上低減させない限り、益々高い信頼性を要求される電
子デバイス素子構成材料として不適格である。
発明の目的 以上の現状に鑑み、本発明は、アルカリ金属、放射性元
素及び遷移金属のみならず、高融点金属含有量のきわめ
て低い、高純度金属タンタル製ターゲツトを製造する方
法の確立を目的とする。
発明の概要 上記目的に向け検討を重ねた結果、高融点金属不純物を
除去するには、現在市販されているタンタル(化合物)
粉から高融点金属不純物を除去する為の湿式精製の採用
が不可欠との結論に至つた。アルカリ金属や遷移金属は
エレクトロンビーム溶解工程の採用により除去可能であ
るが、高融点金属はエレクトロンビーム溶解では除去で
きない。湿式精製法としては幾つかの方法が考慮しう
る。例えば、イオン交換法及び溶媒抽出法が先ず考
えられる。しかし、のイオン交換法では、Nb、M
o、W、Zr、Hfとの分離は可能であるが、吸着対象
元素がTaであるため、コスト高であり又生産性も低い
と考えられる。の溶媒抽出法は、工業的にMIBKを
抽出剤として行なわれている方法であるが、溶媒の引火
点が低いので、安全上の問題がある。
そこで、本発明者等は、湿式精製法として溶解度の差を
利用してタンタル化合物を優先的に結晶させる分別結晶
法を採用しそして生成タンタル化合物を還元してタンタ
ル粉を生成するプロセスが最適との判断の下で、更に研
究を重ねた。その結果、フツ化タンタルカリウム(K
TaF)結晶の析出とナトリウム還元との採用によつ
て非常に良好な精製効果を得た。
こうして湿式精製して得られた高純度タンタル粉末は、
成型−焼結−溶解の造塊工程と加工工程を経て最終タン
タル製ターゲツトに仕上げられる。溶解法としてエレク
トロンビーム法の採用により一層の高純度化が図れる。
最終的に、アルカリ金属含有量が50ppb以下、放射性
元素含有量が5ppb以下、遷移金属含有量が3ppm以下そ
して高融点金属が3ppm以下の超高純度タンタル製ター
ゲツトが生成される。
斯くして、本発明は、 (イ)金属タンタル或いは五酸化タンタルをフツ化水素酸
或いはフツ化水素酸を含む混酸に溶解して含タンタル水
溶液を生成し、 (ロ)該含タンタル水溶液にカリウムイオンを含む水溶液
を添加してフツ化タンタルカリウム結晶を析出させ、 (ハ)回収したフツ化タンタルカリウム結晶をナトリウム
還元して金属タンタル粉末、フツ化カリウム及びフツ化
ナトリウムを含む生成物を生成せしめ、 (ニ)該生成物を洗浄して金属タンタル粉末を回収し、 (ホ)回収した金属タンタル粉末を加圧成型及び焼結し、
続いて溶解することにより金属タンタルインゴツトを形
成し、そして (ヘ)金属タンタルインゴツトをターゲットに加工する ことを包含する高純度金属タンタル製ターゲツトを製造
する方法を提供する。本方法は、精製効果を増す為に上
記(ロ)と(ハ)との間に分離したフツ化タンタルカリウム結
晶をアンモニア溶液中に添加してタンタル水和物を生成
せしめ、そして分離したタンタル水和物をフツ化水素酸
に溶解して含タンタル水溶液を生成し、該タンタル水溶
液にカリウムイオンを含む水溶液を添加してフツ化タン
タルカリウム結晶を析出し、そして必要に応じこの工程
を繰返す段階を追加することもできる。
本発明において、アルカリ金属とは、周期表第IA族に
属する金属を指し、Na、K及びLiをもつて代表とす
る。放射性元素とは、U、Th等の放射能を有する元素
を指す。遷移金属とは、広義の遷移金属のうちで比較的
融点が低い金属元素を呼称し、Fe、Cr、Ni、Mn
を包括する。高融点金属とは、広義の遷移金属のうちで
比較的融点が高い金属元素を指し、Nb、Mo、W、Z
r及びHfを包括する。
発明の具体的説明 第1〜3図は、本発明の基本フローシート、及び好まし
い実施法を例示する。以下、これらを参照しつつ説明す
る。
前述のように、市販のタンタル製ターゲツトは不純物と
して高融点金属不純物を数十ppmまでも含有している。
これら高融点金属不純物の精製方法としては、市販の金
属タンタル或いは五酸化タンタルのようなタンタル化合
物を出発材料として、それを溶解して水溶液化すること
から始まる湿式精製工程を導入せねばならない。先ず概
説すると(第1図参照)、湿式精製工程で除去される不
純物は主として高融点金属及び放射性元素であり、ここ
で弗化タンタルカリウム(KTaF)結晶を得る。
次いで該結晶をナトリウ還元して高純度タンタル粉を得
る。高純度タンタル粉は、乾燥後成型及び焼結(好まし
くは冷間等圧加圧(CIP)及び熱間等圧加圧(HIP))の
工程を経由して溶解(好ましくはエレクトロンビーム
(EB)溶解)される。ここで、タンタルよりも蒸気圧
の高い元素、即ちアルカリ金属、放射性元素及び遷移金
属が除去される。生成されるタンタルインゴツトは加工
によつてタンタル製ターゲツトに仕上げられる。
本発明の特撤は、基本的に、湿式精製工程と乾式処理工
程とを組合せ、前者において放射性元素及び高融点金属
を除去しそして後者においてアルカリ金属、放射性元素
及び遷移金属を除去するものと云うことが出来る。
各工程について分説する(第2及び3図参照): (I)原料タンタル タンタル原料としては、酸またはアルカリに溶解し易
く、できるだけ純度の高いものが好ましい。市販の金属
タンタル粉末或いは五酸化タンタル(Ta)粉末
が代表的に用いられる。その他のフツ化タンタルカリウ
ム等のタンタル化合物も使用可能である。
(II)溶解 溶解法としては、アルカリ溶解法及び各種鉱酸による溶
解法が挙げられるが、100℃以下の比較的低温で溶解
可能でありしかもKTaF結晶を生成するフツ化水
素酸の使用が好ましい。基本的に、金属タンタル粉末は
フツ化水素酸と硝酸等の混酸を使用しそしてTa
粉末はフツ化水素酸で溶解する。Taの場合、次
の反応が起る。
Ta+14HF→2HTaF+5HO フツ化水素酸の使用量は理論量以上が好ましく、より好
ましくは理論量の1.3倍から1.5倍までが好まし
い。又溶解温度は60℃以上が好ましく、より好ましい
温度は80℃以上である。フツ化水素酸使用量が上記の
量より少ない場合或は、溶解温度が上記の温度より低い
場合は、Taの溶解性が劣り、収率に影響する。
(III)結晶採取 含タンタル水溶液は、過により固体不純物を分離す
る。生成する結晶化母液は、KCl等のカリウムイオン
を含む溶液中に徐々に添加される。次の反応によりK
TaFが生成する: HTaF+2KCl→KTaF+2HCl フツ化タンタルカリウム結晶化時の塩化カリウム使用量
は、理論値の1倍以上で好ましくは1.1倍以上1.4
倍までである。又温度は60℃以上でより好ましい温度
は80℃以上95℃までである。塩化カリウム使用量が
上記の量よりも少ない場合は、フツ化タンタルカリウム
結晶化率が低下する。他方温度が上記の温度より低い場
合は、得られるフツ化タンタルカリウム結晶が微細とな
り過性及び洗浄性の悪化をまねく。
フツ化タンタルカリウム結晶を過後、フツ化カリウム
溶液でpHが約5〜6になるまで充分に洗浄し、次いで
乾燥する。
更に精製が所望される場合は、フツ化タンタルカリウム
結晶をアンモニア水に添加し、タンタル水和物を生成さ
せ、該水和物を固液分離、洗浄及び乾燥し、五酸化タン
タルを得る。該五酸化タンタルを再びフツ化水素酸で溶
解し得られた含タンタル水溶液をカリウムイオンを含む
溶液中に添加し、フツ化タンタルカリウムの結晶を得
る。洗浄過後、フツ化カリウム溶液で洗浄し乾燥す
る。場合によつては、上記段階を繰り返す。
以上の湿式工程においては、反応容器、過器等の取扱
器具としては、耐薬品性の清浄なものが好ましく、また
用水や薬品も高純度のものが好ましい。
(IV)還元 以上の湿式工程によつて得られた高純度フツ化タンタル
カリウム結晶は還元される。フツ化タンタルカリウム
は、Ti、Al、Mg、Na等の活性の強い金属によつ
て容易に還元されるが、工業的には一般にNaが還元剤
として使用されている。本発明においても、NaがTa
と合金をつくらず、製品の金属Taを汚染しない点、副
生するNaFの除去が比較的容易である点等をも考慮に
入れ、Na還元法が採用された。
Na還元については特に制限はなく、従来の方法が採用
できる。フツ化タンタルカリウムとNaとの反応は次式
で表わされ、発熱反応である。
TaF+5Na→Ta+2KF+5NaF 上記反応において、反応温度を低下して反応を安定させ
るため、希釈剤としてNaCl等のアルカリハライドが
通常添加される。
反応後、金属タンタル粉末、フツ化ナトリウム及びフツ
化カリウムの生成物は反応容器の底に堆積する。
回収された生成物は常法により先ずエタノールにより未
反応金属ナトリウムをナトリウムエチラートとして除去
するべく洗浄され、続いて温水によりフツ化ナトリウム
及びフツ化カリウムが除去される。金属タンタル粉末を
得た後、王水洗浄、フツ酸洗浄、アンモニア洗浄、アセ
トン洗浄等の適宜の洗浄が行われ、その後乾燥が為され
る。
反応容器、薬品及び環境を清浄化しておくべきことは前
記の場合と同様である。
(V)加圧成型及び焼結と溶解 フツ化タンタルカリウムを還元して得られた高純度金属
タンタル粉末は、タンタルインゴツトの作製の為適宜の
造塊処理工程に供される。溶解時に、アルカリ金属、放
射性元素及び遷移金属を除去することが必要である。そ
こで、不純物除去に適した真空溶解等の精製技術が使用
しうるが、不純物除去効果の大きなエレクトロンビーム
溶解法の採用が好ましい。
エレクトロンビーム溶解に供される成型体は、内部に包
蔵気体がなく、かつ汚染のおそれのないことが必要であ
り、また見掛密度の高い加圧成型体であることが望まし
い。
例えば、タンタル粉末をテフロンのような適宜の材料の
筒に挿入し、1000〜1600kg/cmの圧力を用い
て冷間等圧加圧が行われる。かくして得られた成型体を
軟鋼容器に入れ、高温に加熱し、真空脱ガスしながら軟
鋼容器は密閉される。密閉した軟鋼容器は熱間等圧加圧
装置に装入され、1000〜1500℃の温度及び90
0〜1500kg/cm2の圧力条件の下で焼結が行われる。
冷却後、軟鋼容器よりタンタル焼結体が取出される。こ
れは、エレクトロンビーム溶解用に適した電極である。
次いで、タンタル焼結体電極は、エレクトロンビーム溶
解され、タンタルインゴツトとなる。エレクトロンビー
ム溶解は、必要に応じ、2〜3回繰返される。
(VI)加工 得られたタンタルインゴツトは、最終的に、所望の形態
のタンタル製ターゲツトへと加工される。塑性加工、切
断及び表面仕上げは汚染防止に留意しつつ従来の方法に
より行われる。
こうして作製された超高純度金属タンタル製ターゲツト
は、アルカリ金属含有率が50ppb以下、放射性元素含
有量が、5ppb以下、遷移金属含有量が3ppm以下、そし
て高融点金属含有量が3ppm以下の高品位のものであ
る。
このタンタル製ターゲツトを用いて例えばアルゴン酸素
混合ガス中でスパツタすることによりTa膜が形
成される。得られるTa膜は有害不純物を含まな
いので、使用される半導体デバイスの高い性能及び動作
信頼性を保証する。因みに本発明のタンタル製ターゲツ
トを使用してAr−O混合ガス中での反応スパツタに
よりAl/Ta/p-Si構造のMOSキヤパシ
タを製作した結果、リーク電流が従来のものより非常に
少なくなつた。
発明の効果 益々高集積化が進みつつある半導体デバイスにおいて信
頼性の高い、絶縁膜、電極等の構成部品の作製を可能と
し、電子工業の進歩に寄与する。
実施例 市販の五酸化タンタル粉末11kgを採取し、高純度の5
0%フツ化水素酸18kgと共に、テフロン製反応槽内
で、温度80℃で10hr撹拌しつつ溶解した後、0.
2μテフロン製ミリポアフイルターで過し、固体不純
物の分離を行ない、含タンタル水溶液を得た。
次に、特級塩化カリウム3kgを超純水18で溶解し、
80℃に加熱した後含タンタル水溶液6を徐々に添加
し、フツ化タンタルカリウム結晶を析出させさ。その
後、テフロン製布を用い別分離し、フツ化タンタル
カリウム結晶をフツ化カリウム濃度100g/の水溶液
で洗浄した。
次いで、フツ化タンタルカリウム結晶を乾燥後、鉄製の
反応容器内で金属ナトリウムと共に加熱還元して、金属
タンタル粉、フツ化カリウム及びフツ化ナトリウムを生
成した。即ち、フツ化タンタルカリウム5.50kgと金
属ナトリウム2.0kgを使用し、アルゴンガス雰囲気中
で800℃まで加熱し次いで800℃で3hr保持し還
元処理した。その後、過剰Naをアルコールで除去し、
温水洗浄によりフツ化カリウム及びフツ化ナトリウムを
除去した後、更に王水洗浄及びフツ化水素酸洗浄を行な
い不純物を除去し、乾燥して金属タンタル粉末を得た。
この金属タンタル粉末を冷間等圧加圧(1500kg/cm2)及
び熱間等圧加圧(1000kg/cm2×1400℃×1h
r)により焼結体とし、これをエレクトロンビーム溶解
し、加工後高純度金属タンタル製ターゲツトを得た。該
高純度金属タンタル製ターゲツトの不純物含有量を表−
1に示す。
表−1から明らかの如く、本発明で得られた高純度金属
タンタル製ターゲツトの純度は、99.999%以上であり、
市販金属タンタル製ターゲツトと比較して特にNb、M
o、W、Zr等の高融点金属が夫々1ppm以下と少ない
高純度金属タンタルが得られる。
【図面の簡単な説明】 第1図は、本発明のタンタルターゲツト製造方法の基本
フローシートを示す。 第2図は、原料Ta粉からKTaF結晶製造
までの実施例のフローシートを示す。 第3図は、KTaF結晶からTa粉製造までの実施
例のフローシートを示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 八重樫 誠司 埼玉県戸田市新曾南3丁目17番35号 日本 鉱業株式会社総合研究所内 (56)参考文献 「電子技術」Vol27.No.1 14〜 17頁“超LSI用に新開発した高純度Mo ターゲット"

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】アルカリ金属含有率が50ppb以下、放射
    性元素含有率が5ppb以下、遷移金属含有率が3ppm以下
    そして高融点金属含有率が3ppm以下である高純度金属
    タンタル製ターゲットを製造する方法であって、 (イ)金属タンタル或いは五酸化タンタルをフッ化水素
    酸或いはフッ化水素酸を含む混酸に溶解して含タンタル
    水溶液を生成し、 (ロ)該含タンタル水溶液にカリウムイオンを含む水溶
    液を添加してフッ化タンタルカリウム結晶を析出させ、 (ハ)回収したフッ化タンタルカリウム結晶をナトリウ
    ム還元して金属タンタル粉末、フッ化カリウム及びフッ
    化ナトリウムを含む生成物を生成せしめ、 (ニ)該生成物を洗浄して金属タンタル粉末を回収し、 (ホ)回収した金属タンタル粉末を加圧成型及び焼結
    し、続いて溶解することにより金属タンタルインゴット
    を形成し、そして (ヘ)金属タンタルインゴットをターゲットに加工する ことを包含する高純度金属タンタル製ターゲットを製造
    する方法。
  2. 【請求項2】加圧成型及び焼結と続いての溶解が、冷間
    等圧加圧及び熱間等圧加圧とエレクトロンビーム溶解に
    より行われる特許請求の範囲第1項記載の方法。
  3. 【請求項3】アルカリ金属含有率が50ppb以下、放射
    性元素含有率が5ppb以下、遷移金属含有率が3ppm以下
    そして高融点金属含有率が3ppm以下である高純度金属
    タンタル製ターゲットを製造する方法であって、 (イ)金属タンタル或いは五酸化タンタルをフッ化水素
    酸或いはフッ化水素酸を含む混酸に溶解して含タンタル
    水溶液を生成し、 (ロ)該含タンタル水溶液にカリウムイオンを含む水溶
    液を添加してフッ化タンタルカリウム結晶を析出させ、 (ハ)分離したフッ化タンタルカリウム結晶をアンモニ
    ア溶液中に添加してタンタル水和物を生成せしめ、そし
    て分離したタンタル水和物をフッ化水素酸に溶解して含
    タンタル水溶液を生成し、該タンタル水溶液にカリウム
    イオンを含む水溶液を添加してフッ化タンタルカリウム
    結晶を析出し、そして必要に応じこの工程を繰返し、 (ニ)回収したフッ化タンタルカリウム結晶をナトリウ
    ム還元して金属タンタル粉末、フッ化カリウム及びフッ
    化ナトリウムを含む生成物を生成せしめ、 (ホ)該生成物を洗浄して金属タンタル粉末を回収し、 (ヘ)回収した金属タンタル粉末を加圧成型及び焼結
    し、続いて溶解することにより金属タンタルインゴット
    を形成し、そして (ト)金属タンタルインゴットをターゲットに加工する ことを包含する高純度金属タンタル製ターゲットを製造
    する方法。
  4. 【請求項4】加圧成型及び焼結と続いての溶解が、冷間
    等圧加圧及び熱間等圧加圧とエレクトロンピーム溶解に
    より行われる特許請求の範囲第3項記載の方法。
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