JPWO2017018402A1 - ターゲット材 - Google Patents
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Abstract
スパッタリング時のゲート電極の汚染を抑制し、且つ安定したＴＦＴ特性が得られるゲート電極を形成するためのターゲット材を提供する。Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒからなる群から選択される一または二以上の元素Ｍを合計で５０原子％以下含有し、残部がＭｏおよび不可避的不純物からなるターゲット材において、不可避的不純物の一つであるＫが０．４〜２０．０質量ｐｐｍであり、前記元素ＭとしてＷを１０〜５０原子％含有することが好ましい。
Description
本発明は、スパッタリング等の物理蒸着技術に用いられるターゲット材に関するものである。
近年、平面表示装置の一種である薄膜トランジスタ型液晶ディスプレイ等には、ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜上に電子の移動度が大きいポリシリコン膜を形成したポリシリコンＴＦＴが採用されている。このポリシリコンＴＦＴの製造では、例えば４５０℃以上の高温活性化熱処理といった高温プロセスが必須であるために、ゲート電極には変形や溶融が生じないように高温特性や耐食性等に優れる材料が要求されている。そして、ゲート電極の材質には、ＭｏやＭｏ合金といった高融点材料が適用されている。
この高融点材料からなるゲート電極としては、例えば、特許文献１のように、Ｍｏに８原子％以上２０原子％未満の割合でＷを添加したＭｏＷ合金が提案されており、このゲート電極を形成するためのターゲット材の開示もある。特許文献１に開示のあるＭｏＷ合金からなるゲート電極は、４５０℃以上の高温活性化熱処理に対しても変形も溶融もせず、ヒロックは形成されないことに加え、純Ｍｏからなるゲート電極よりも耐食性に優れるという点で有用な技術である。
本発明者の検討によると、特許文献１に開示されるＭｏＷ合金からなるターゲット材を用いて形成したゲート電極を採用したポリシリコンＴＦＴにおいて、半導体のしきい値電圧の変化が発生したり、所定の電圧範囲でスイッチングが困難になるなど、安定したＴＦＴ特性を得ることができない場合があることを確認した。
また、本発明者は、ＭｏＷ合金からなるターゲット材をスパッタリング装置のチャンバー内に配置して、チャンバー内を所定の真空度に調整してからスパッタリングすると、チャンバー内が汚染されてしまう場合があることを確認した。そして、このチャンバー内の汚染の問題に伴い、得られる膜、すなわちゲート電極にＫ（カリウム）が取り込まれる場合があることを確認した。
また、本発明者は、ＭｏＷ合金からなるターゲット材をスパッタリング装置のチャンバー内に配置して、チャンバー内を所定の真空度に調整してからスパッタリングすると、チャンバー内が汚染されてしまう場合があることを確認した。そして、このチャンバー内の汚染の問題に伴い、得られる膜、すなわちゲート電極にＫ（カリウム）が取り込まれる場合があることを確認した。
本発明の目的は、上記課題に鑑み、スパッタリング時の膜の汚染を抑制し、且つ安定したＴＦＴ特性が得られるゲート電極を形成することができるターゲット材を提供することである。
本発明者は、ポリシリコンＴＦＴのゲート電極を形成するために、Ｍｏ合金からなるターゲット材を使用する場合に、ターゲット材に含まれるＫの含有量を適正な範囲に制御する必要があることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明のターゲット材は、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒからなる群から選択される一または二以上の元素Ｍを合計で５０原子％以下含有し、残部がＭｏおよび不可避的不純物からなるターゲット材において、前記不可避的不純物の一つであるＫが０．４〜２０．０質量ｐｐｍである。
また、前記元素ＭはＷであり、このＷを１０〜５０原子％含有することが好ましい。
本発明のターゲット材を用いることにより、スパッタリング時の膜の汚染を抑制し、且つ安定したＴＦＴ特性が得られるゲート電極を形成することができ、平面表示装置の製造に有用な技術となる。
本発明者は、種々のＭｏ系ターゲット材をスパッタリング装置のチャンバ内に配置して、チャンバー内を所定の真空度に調整してからスパッタリングすると、チャンバー内が汚染され、得られる膜、すなわちゲート電極も汚染される場合があることを確認した。
また、本発明者は、種々のＭｏ系ターゲット材を用いて、ゲート電極を形成したポリシリコンＴＦＴの特性について調査したところ、半導体のしきい値電圧の変化が発生し、所定の電圧範囲でスイッチングが困難になり、安定したＴＦＴ特性を得ることができない場合があることを確認した。そして、これらの問題は、ターゲット材に含まれるＫの含有量によって誘発されることを確認した。
また、本発明者は、種々のＭｏ系ターゲット材を用いて、ゲート電極を形成したポリシリコンＴＦＴの特性について調査したところ、半導体のしきい値電圧の変化が発生し、所定の電圧範囲でスイッチングが困難になり、安定したＴＦＴ特性を得ることができない場合があることを確認した。そして、これらの問題は、ターゲット材に含まれるＫの含有量によって誘発されることを確認した。
本発明のターゲット材は、不可避的不純物の元素の一つとして含まれるＫの含有量を、０．４〜２０．０質量ｐｐｍにする。ターゲット材に含まれるＫの含有量が２０．０質量ｐｐｍより多い場合は、スパッタリング装置のチャンバー内にターゲット材を配置して、チャンバー内を所定の真空度に調整してからスパッタリングを行なうと、Ｋがチャンバー内に飛散して、チャンバー内が汚染される。その結果、得られるゲート電極も汚染されてしまう。また、このＫによる汚染の問題は、以降の別のターゲット材で成膜される膜も汚染されてしまうという問題も誘発する。さらに、チャンバー内がＫで汚染されてしまうと、チャンバー内を清掃するために多大の工数が必要となる。
また、スパッタリング時にＫの飛散が増えると、ゲート電極中のＫ量の変動が大きくなり、ＴＦＴ特性の変動も大きくなる。そして、ターゲット材に含まれるＫの含有量が２０．０質量ｐｐｍより多い場合は、ゲート電極に含まれるＫも大凡２０．０質量ｐｐｍより多くなる。このため、半導体のしきい値電圧の変化が発生し、所定の電圧範囲でのスイッチングをさせることが困難になり、ＴＦＴ特性を不安定にする。これは、ゲート電極に含まれるＫが、拡散現象によりゲート絶縁膜中やポリシリコン膜中に拡散するためであると推測される。
このため、本発明では、ターゲット材に含まれるＫを２０．０質量ｐｐｍ以下にする。そして、本発明のターゲット材は、Ｋを１８．０質量ｐｐｍ以下にすることが好ましく、１４．０質量ｐｐｍ以下がより好ましい。
また、スパッタリング時にＫの飛散が増えると、ゲート電極中のＫ量の変動が大きくなり、ＴＦＴ特性の変動も大きくなる。そして、ターゲット材に含まれるＫの含有量が２０．０質量ｐｐｍより多い場合は、ゲート電極に含まれるＫも大凡２０．０質量ｐｐｍより多くなる。このため、半導体のしきい値電圧の変化が発生し、所定の電圧範囲でのスイッチングをさせることが困難になり、ＴＦＴ特性を不安定にする。これは、ゲート電極に含まれるＫが、拡散現象によりゲート絶縁膜中やポリシリコン膜中に拡散するためであると推測される。
このため、本発明では、ターゲット材に含まれるＫを２０．０質量ｐｐｍ以下にする。そして、本発明のターゲット材は、Ｋを１８．０質量ｐｐｍ以下にすることが好ましく、１４．０質量ｐｐｍ以下がより好ましい。
ここで、ターゲット材の製造に用いられる原料粉末としての市販のＭｏ粉末は、Ｋが４０．０質量ｐｐｍ程度含まれており、これを熱間静水圧プレスの密閉空間で加圧焼結してターゲット材を得ようとしても、Ｋを低減することは困難である。そこで、本発明のターゲット材を得るためには、予め原料粉末の状態で、Ｋを２０．０質量ｐｐｍ以下に低減しておくことが好ましい。ここで、原料粉末中のＫを低減する手段としては、例えば、二段還元法を適用することが好ましい。これにより、Ｋの低減効果に加え、Ｍｏ粉末の原料となるＭｏＯ３の揮発を避けることもできる。
また、原料粉末中のＫを低減する別の手段としては、原料粉末を容器に充填して加圧焼結する前、すなわち、原料粉末の状態で、減圧脱気法を適用することもできる。減圧脱気の条件は、加熱温度６００〜１０００℃の範囲で、大気圧（１０１．３ｋＰａ）より低い減圧下で脱気を行なうことが好ましい。
本発明のターゲット材は、Ｋの含有量を２０．０質量ｐｐｍ以下にすることで、ゲート電極を形成する際に、スパッタリング装置のチャンバー内の汚染を抑制し、得られるゲート電極の汚染を防止できるとともに、安定したＴＦＴ特性が確保できる。一方、ターゲット材中のＫを過度に低減させることは、製造コストの上昇に繋がる。また、原料粉末中のＫは、上記の二段還元法や減圧脱気法を採用したとしても、０．４質量ｐｐｍより少なくすることは現実的に困難である。このため、本発明では、ターゲット材に含まれるＫを０．４質量ｐｐｍ以上にする。そして、本発明のターゲット材に含まれるＫは、２．５質量ｐｐｍ以上が好ましく、３．０質量ｐｐｍ以上がより好ましい。
また、原料粉末中のＫを低減する別の手段としては、原料粉末を容器に充填して加圧焼結する前、すなわち、原料粉末の状態で、減圧脱気法を適用することもできる。減圧脱気の条件は、加熱温度６００〜１０００℃の範囲で、大気圧（１０１．３ｋＰａ）より低い減圧下で脱気を行なうことが好ましい。
本発明のターゲット材は、Ｋの含有量を２０．０質量ｐｐｍ以下にすることで、ゲート電極を形成する際に、スパッタリング装置のチャンバー内の汚染を抑制し、得られるゲート電極の汚染を防止できるとともに、安定したＴＦＴ特性が確保できる。一方、ターゲット材中のＫを過度に低減させることは、製造コストの上昇に繋がる。また、原料粉末中のＫは、上記の二段還元法や減圧脱気法を採用したとしても、０．４質量ｐｐｍより少なくすることは現実的に困難である。このため、本発明では、ターゲット材に含まれるＫを０．４質量ｐｐｍ以上にする。そして、本発明のターゲット材に含まれるＫは、２．５質量ｐｐｍ以上が好ましく、３．０質量ｐｐｍ以上がより好ましい。
本発明のターゲット材は、ＭｏにＷ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒからなる群から選択される一または二以上の元素Ｍを合計で５０原子％以下含有し、残部が不可避的不純物からなるＭｏ合金で構成される。ゲート電極を形成するプロセスの簡便性と、ゲート電極としての性能の両面において優れている点からすると、元素ＭとしてＷを１０〜５０原子％含有するＭｏＷ合金を用いることが好ましい。
以下に、本発明のターゲット材を製造する工程の一例を説明する。
本発明では、上記で説明した原料粉末を加圧焼結してターゲット材を得ることができる。加圧焼結は、例えば、熱間静水圧プレスやホットプレスが適用可能であり、焼結温度８００〜２０００℃、圧力１０〜２００ＭＰａで１〜２０時間の条件で行なうことが好ましい。
これらの条件の選択は、得ようとするターゲット材の組成、サイズ、加圧焼結設備等に依存する。例えば、熱間静水圧プレスは、低温高圧の条件が適用しやすく、ホットプレスは、高温低圧の条件が適用しやすい。本発明では、大型のターゲット材を得ることが可能な熱間静水圧プレスを用いることが好ましい。
本発明では、上記で説明した原料粉末を加圧焼結してターゲット材を得ることができる。加圧焼結は、例えば、熱間静水圧プレスやホットプレスが適用可能であり、焼結温度８００〜２０００℃、圧力１０〜２００ＭＰａで１〜２０時間の条件で行なうことが好ましい。
これらの条件の選択は、得ようとするターゲット材の組成、サイズ、加圧焼結設備等に依存する。例えば、熱間静水圧プレスは、低温高圧の条件が適用しやすく、ホットプレスは、高温低圧の条件が適用しやすい。本発明では、大型のターゲット材を得ることが可能な熱間静水圧プレスを用いることが好ましい。
焼結温度は、８００℃以上にすることで、焼結を促進することができ、緻密なターゲット材を得ることができる。一方、焼結温度は、２０００℃以下にすることで、焼結体の結晶成長を抑制でき、均一で微細な組織を得ることができる。
また、加圧力は、１０ＭＰａ以上にすることで、焼結を促進することができ、緻密なターゲット材を得ることができる。一方、加圧力は、２００ＭＰａ以下にすることで、汎用の加圧焼結装置を用いることができる。
また、焼結時間は、１時間以上にすることで、焼結を促進することができ、緻密なターゲット材を得ることができる。一方、焼結時間は、２０時間以下にすることで、製造効率を阻害することなく、緻密なターゲット材を得ることができる。
また、加圧力は、１０ＭＰａ以上にすることで、焼結を促進することができ、緻密なターゲット材を得ることができる。一方、加圧力は、２００ＭＰａ以下にすることで、汎用の加圧焼結装置を用いることができる。
また、焼結時間は、１時間以上にすることで、焼結を促進することができ、緻密なターゲット材を得ることができる。一方、焼結時間は、２０時間以下にすることで、製造効率を阻害することなく、緻密なターゲット材を得ることができる。
本発明における相対密度は、アルキメデス法により測定されたかさ密度を、本発明のターゲット材の組成比から得られる質量比で算出した元素単体の加重平均として得た理論密度で除した値に１００を乗じて得た値をいう。
ターゲット材の相対密度が９５．０％より低くなると、ターゲット材中に存在する空隙が増加し、この空隙を基点としてスパッタリング工程中に、異常放電の原因となるノジュールの発生が起こりやすくなる。このため、本発明のターゲット材の相対密度は、９５．０％以上であることが好ましい。また、相対密度は、９９．０％以上であることがより好ましい。
ターゲット材の相対密度が９５．０％より低くなると、ターゲット材中に存在する空隙が増加し、この空隙を基点としてスパッタリング工程中に、異常放電の原因となるノジュールの発生が起こりやすくなる。このため、本発明のターゲット材の相対密度は、９５．０％以上であることが好ましい。また、相対密度は、９９．０％以上であることがより好ましい。
先ず、Ｍｏ粉末とＷ粉末とを原子％で８５％Ｍｏ−１５％Ｗとなるようにクロスロータリー混合機で混合して混合粉末を用意した。このとき、本発明例１となるターゲット材の混合粉末には、Ｋ含有量が原子吸光分析法により測定した値で５．０質量ｐｐｍのものを用いた。また、本発明例２〜本発明例６となるターゲット材の混合粉末には、Ｋ含有量がそれぞれ、６．０質量ｐｐｍ、７．０質量ｐｐｍ、８．０質量ｐｐｍ、９．０質量ｐｐｍ、１４．０質量ｐｐｍのものを用いた。一方、比較例となるターゲット材の混合粉末には、Ｋ含有量が２０．０質量ｐｐｍのものを用いた。
次に、上記で用意した各混合粉末を、それぞれ軟鋼製の加圧容器に充填して脱気口を有する上蓋を溶接して封止した。
次に、各加圧容器を４５０℃の温度で真空脱気し、温度１２５０℃、圧力１４５ＭＰａ、５時間の条件で熱間静水圧プレス処理を行ない、ターゲット材の素材となる焼結体を得た。
次に、上記で用意した各混合粉末を、それぞれ軟鋼製の加圧容器に充填して脱気口を有する上蓋を溶接して封止した。
次に、各加圧容器を４５０℃の温度で真空脱気し、温度１２５０℃、圧力１４５ＭＰａ、５時間の条件で熱間静水圧プレス処理を行ない、ターゲット材の素材となる焼結体を得た。
上記で得た各焼結体から、機械加工により成分分析用および相対密度測定用の試験片を採取し、Ｋの含有量と相対密度を測定した。ここで、相対密度は、アルキメデス法により測定されたかさ密度を、ＭｏＷ合金ターゲット材の組成比から得られる質量比で算出した元素単体の加重平均として得た理論密度で除した値に１００を乗じて得た値とした。
また、焼結体中のＫ含有量は、グロー放電質量分析法（Ｖ．Ｇ．Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製（現サーモフィッシャーサイエンティフィック社製）、型式番号：ＶＧ９０００）で測定した。
また、焼結体中のＫ含有量は、グロー放電質量分析法（Ｖ．Ｇ．Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製（現サーモフィッシャーサイエンティフィック社製）、型式番号：ＶＧ９０００）で測定した。
上記で得た各焼結体を、直径１８０ｍｍ×厚さ７ｍｍとなるように機械加工してターゲット材を作製した。そして、これらターゲット材をキヤノンアネルバ株式会社製のＤＣマグネトロンスパッタ装置（型式：Ｃ３０１０）のチャンバー内に配置し、Ａｒガス圧０．５Ｐａ、投入電力５００Ｗの条件で、ガラス基板上に厚さ４００ｎｍのＭｏＷ合金薄膜を形成した。そして、得られた各ＭｏＷ合金薄膜のＫ含有量は、Ｃａｍｅｃａ社製のＩＭＳ−４Ｆで測定した。尚、ＭｏＷ合金薄膜のＫ含有量は、ＭｏＷ合金薄膜表面およびガラス基板の影響を受けず、安定した値を得るために、ＭｏＷ合金薄膜表面から深さ５０〜２５０ｎｍの間の分析値を採用した。
表１の結果から、本発明例のターゲット材は、Ｋ含有量がいずれも２０．０質量ｐｐｍ以下であった。そして、本発明例となるターゲット材を用いてスパッタリングテストを行なった結果、チャンバー内のＫによる汚染はなく、良好にスパッタリングできることが確認できた。また、表１の結果から、ターゲット材のＫ含有量が増加するに従い、合金薄膜中のＫ含有量も増加することがわかる。
一方、本発明の範囲外となる比較例のターゲット材は、Ｋ含有量が２１．０質量ｐｐｍであった。これを用いてスパッタリングテストを行ない、チャンバー内を清掃したところ、Ｋが捕捉され、チャンバー内が汚染されていたことを確認した。
一方、本発明の範囲外となる比較例のターゲット材は、Ｋ含有量が２１．０質量ｐｐｍであった。これを用いてスパッタリングテストを行ない、チャンバー内を清掃したところ、Ｋが捕捉され、チャンバー内が汚染されていたことを確認した。
次に、ＫによるＴＦＴ特性への影響を確認するために、図１に示す簡易ＴＦＴを作製して評価を実施した。
先ず、ガラス基板１上に、ゲート電極２となるＭｏ−Ｗの金属薄膜を本発明例４のターゲット材で形成した。その後、ホトレジストでゲートパターンのマスクを形成した。このマスクを介してエッチング加工し、厚さ７０ｎｍのゲート電極２を形成した。
その後、ゲート絶縁膜３となるＳｉＯ２膜を全面に１００ｎｍの厚さで形成した。そして、スパッタリングによりＺＴＯ（Ｚｎ：Ｓｎ＝７：３）からなる厚さ３０ｎｍのチャネル層４を形成した。
次に、チャネル層４の上に、後にチャネルパターンとなるホトレジスト層を形成した。ここで、チャネル領域を加工するために、ホトレジスト層にチャネルパターンを描画、露光、現像してマスクを形成した。そして、このマスクを用いてエッチング加工し、チャネル領域を形成した。
さらに、ソース電極５およびドレイン電極６となるＭｏの金属薄膜を厚さ１４０ｎｍで形成し、ホトレジストをマスクとしてエッチング加工し、ソース電極５およびドレイン電極６を形成した。そして、保護膜で被覆し、簡易ＴＦＴを作製した。
また、上記と同様の方法で、比較例のターゲット材を用いて、ゲート電極を形成した簡易ＴＦＴも作製した。
先ず、ガラス基板１上に、ゲート電極２となるＭｏ−Ｗの金属薄膜を本発明例４のターゲット材で形成した。その後、ホトレジストでゲートパターンのマスクを形成した。このマスクを介してエッチング加工し、厚さ７０ｎｍのゲート電極２を形成した。
その後、ゲート絶縁膜３となるＳｉＯ２膜を全面に１００ｎｍの厚さで形成した。そして、スパッタリングによりＺＴＯ（Ｚｎ：Ｓｎ＝７：３）からなる厚さ３０ｎｍのチャネル層４を形成した。
次に、チャネル層４の上に、後にチャネルパターンとなるホトレジスト層を形成した。ここで、チャネル領域を加工するために、ホトレジスト層にチャネルパターンを描画、露光、現像してマスクを形成した。そして、このマスクを用いてエッチング加工し、チャネル領域を形成した。
さらに、ソース電極５およびドレイン電極６となるＭｏの金属薄膜を厚さ１４０ｎｍで形成し、ホトレジストをマスクとしてエッチング加工し、ソース電極５およびドレイン電極６を形成した。そして、保護膜で被覆し、簡易ＴＦＴを作製した。
また、上記と同様の方法で、比較例のターゲット材を用いて、ゲート電極を形成した簡易ＴＦＴも作製した。
上記で作製した各簡易ＴＦＴを用いて、ＴＦＴ電流−電圧の特性評価を行なった。本発明例４のターゲット材でゲート電極を形成した簡易ＴＦＴの特性評価結果を図２に示す。図２の横軸は、ゲート電圧（Ｖｇ）［Ｖ］、縦軸は、ドレイン電流（Ｉｄ）［Ａ］であり、上から３本のグラフは、ドレイン電圧（Ｖｄ）［Ｖ］が順に、０．１Ｖ、１Ｖ、１０Ｖのものである。また、一番下のグラフは、キャリアの移動度（μＦＥ）［ｃｍ２／Ｖｓ］を示すものである。
図２から明らかなように、本発明のターゲット材でゲート電極を形成した簡易ＴＦＴは、ドレイン電流の立ち上がりが確認でき、しきい値電圧（Ｖｔｈ）［Ｖ］の安定性が確保されたＴＦＴであることが確認できた。
一方、比較例のターゲット材でゲート電極を形成した簡易ＴＦＴの特性評価結果を図３に示す。図３から明らかなように、比較例のターゲット材でゲート電極を形成した簡易ＴＦＴは、しきい値電圧（Ｖｔｈ）［Ｖ］が測定不能であった。
図２から明らかなように、本発明のターゲット材でゲート電極を形成した簡易ＴＦＴは、ドレイン電流の立ち上がりが確認でき、しきい値電圧（Ｖｔｈ）［Ｖ］の安定性が確保されたＴＦＴであることが確認できた。
一方、比較例のターゲット材でゲート電極を形成した簡易ＴＦＴの特性評価結果を図３に示す。図３から明らかなように、比較例のターゲット材でゲート電極を形成した簡易ＴＦＴは、しきい値電圧（Ｖｔｈ）［Ｖ］が測定不能であった。
１．ガラス基板
２．ゲート電極
３．ゲート絶縁膜
４．チャネル層
５．ソース電極
６．ドレイン電極
２．ゲート電極
３．ゲート絶縁膜
４．チャネル層
５．ソース電極
６．ドレイン電極
Claims (2)
- Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒからなる群から選択される一または二以上の元素Ｍを合計で５０原子％以下含有し、残部がＭｏおよび不可避的不純物からなるターゲット材において、前記不可避的不純物の一つであるＫが０．４〜２０．０質量ｐｐｍであることを特徴とするターゲット材。
- 前記元素ＭはＷであり、該Ｗを１０〜５０原子％含有することを特徴とする請求項１に記載のターゲット材。
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