JPWO2020054104A1 - MgO焼結体スパッタリングターゲット - Google Patents

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Abstract

GOS(Grain Orientation Spread)が0°〜1°の割合が75%以上であるMgO焼結体スパッタリングターゲット。KAM(Kernel Average Misorientation)が0°〜2°の割合が90%以上であることを特徴とするMgO焼結体スパッタリングターゲット。本発明は、パーティクルを低減できるMgO焼結体スパッタリングターゲットを提供することを課題とする。【選択図】なし

Description

本発明は、磁気ディスク装置用の磁気記録媒体やトンネル磁気抵抗(TMR)素子、NAND型フラッシュメモリー等のエレクトロデバイスにおける、酸化マグネシウム(MgO)系薄膜の形成に適したMgO焼結体スパッタリングターゲットに関するものであり、特には、スパッタリングの際にパーティクルの発生が少ないMgO焼結体スパッタリングターゲットに関する。
磁気ディスク装置の小型化・高記録密度化に伴い、磁気記録媒体の研究、開発が行われ、磁性層や下地層などについて種々改良が行われている。例えば、スピントルク型の磁気抵抗メモリー(MRAM)は、TMR素子に流れる電流のトンネル接合を介して流れる電子のスピンにより磁化を制御することで、従来型のMRAMに比べて低消費電力且つ小型化を可能としている。
TMR素子のトンネル絶縁膜として、酸化マグネシウム(MgO)が用いられている。トンネル抵抗はバンドギャップが大きいほど高くなるが、TMR素子の集積度を上げるために素子サイズを小さくすると、素子の抵抗が高くなるという問題がある。このため素子抵抗に影響のあるトンネル絶縁膜の膜厚を薄くすることで、素子抵抗を下げることが考えられる。
MgO膜は、通常、MgO焼結体スパッタリングターゲットを用いてスパッタリング法により成膜される。しかしながら、スパッタリングの際にパーティクルが発生して、膜や素子の特性を低下させることがあることから、パーティクルを低減することが求められている。特に素子サイズの小型化、薄膜化に伴って、これまで以上にパーティクルの発生を厳密に制御することが求められている。
MgO焼結体スパッタリングターゲットに関して、例えば、特許文献1、2が挙げられる。特許文献1には、一軸圧力を加えた面に(111)面を多く配向させた結晶異方性を有するMgO焼結体のスパッタリング用ターゲットが開示されている。
また、特許文献2には、質量%で、純度が99.99%以上であり、相対密度が98%を超え、かつ平均結晶粒径が8μm以下であり、X線回折によるピーク強度比I(111)/I(200)が8%以上25%未満である酸化マグネシウム焼結体を用いたスパッタリングターゲットが開示されている。
特開2009−173502号公報 特許6069214号
Kyohei Nomura et al, "Effect of the Grain Size on Plastic Strain Analysis by EBSD for Austenitic Stainless Steels with Tensile Strain at 650℃", Journal of the society of Materials Science, Japan, Apr. 2012, Vol. 61, No. 4, pp.371-376 Shota Umezaki et al, "Quantitative Analysis of Dislocation Density in an Austenitic Steel after Plastic Deformation", J. Japan Institute of Metals and Materials, Vol 78, No. 6 (2014), pp.218-224
パーティクルの発生を抑制するためには、MgO焼結体ターゲットの結晶粒径や配向などを制御することは有効である。しかし、これまで焼結条件等を調整して、結晶粒径や配向を制御することが行われてきたが、これらを制御してもなお、パーティクル数が低減できないという問題があった。従って、本発明は、パーティクルを低減できるMgO焼結体スパッタリングターゲットを提供することを課題とする。
本発明者らは、MgO焼結体スパッタリングターゲットにおける結晶粒内の歪みについて鋭意研究を行ったところ、スパッタリングターゲットにおける結晶粒内の歪みが小さいと、スパッタリングの際にパーティクルが発生し難いことを見出した。このような知見に基づき、本発明は、実施の形態として、以下のMgO焼結体スパッタリングターゲットを提供するものである。
1)GOS(Grain Orientation Spread)が0°〜1°の割合が75%以上であるMgO焼結体スパッタリングターゲット。
2)GOS(Grain Orientation Spread)が0°〜1°の割合が90%以上であることを特徴とするMgO焼結体スパッタリングターゲット。
3)KAM(Kernel Average Misorientation)が0°〜2°の割合が85%以上であることを特徴とするMgO焼結体スパッタリングターゲット。
4)KAM(Kernel Average Misorientation)が0°〜2°の割合が95%以上であることを特徴とするMgO焼結体スパッタリングターゲット。
5)平均結晶粒径が30μm以上である上記1)乃至4)のいずれか一に記載のMgO焼結体スパッタリングターゲット。
6)相対密度が99.9%以上であることを特徴とする1)乃至5)のいずれか一に記載のMgO焼結体スパッタリングターゲット。
本発明によれば、スパッタリングの際にパーティクルの発生を低減することができるという優れた効果を有する。そして、このようなMgO焼結体スパッタリングターゲットを用いて成膜することで、スパッタ膜の質を改善することができるので、素子の品質の安定化や歩留り向上に寄与することができる。
実施例1のMgO焼結体スパッタリングターゲットのEBSDによる分析結果を示す図である。
後方散乱電子回折像法(EBSD)を用いて、結晶粒内の歪みを定量化する方法が知られている(非特許文献1、2など)。EBSDを用いて結晶粒内の歪みを定量化する計算手法としては、1)結晶粒内の平均方位差を定量化したGOS(Grain Orientation Spread)、2)結晶粒内において任意の測定点とその近接した測定点間の方位差を定量化したKAM(Kernel Average Misorientation)がある。
本発明者らは、これらの手法を用いてMgO焼結体スパッタリングターゲットを分析したところ、スパッタリングターゲットを構成する結晶粒内の歪み量とスパッタリングの際に発生するパーティクル数との間に相関があることを見出し、その結晶粒内の歪み量を一定の数値範囲になるように調整することにより、パーティクルの発生を抑制することを可能にした。
本発明の実施形態に係るMgO焼結体スパッタリングターゲットは、GOS値が0°〜1°である割合が75%以上であることを特徴とする。一般に結晶粒内の歪み量が小さいほどGOS値が小さくなる。本発明の実施形態において、GOS値が0°〜1°である割合を75%以上とすることで、スパッタリング時のパーティクル数を低減するものである。好ましくはGOS値が0°〜1°である割合が90%以上とする。
本発明の実施形態に係るMgO焼結体スパッタリングターゲットは、KAM値が0°〜2°である割合が85%以上であることを特徴とする。一般に結晶粒内の歪量が小さいほどKAM値が小さくなる。本発明の実施形態において、KAM値が0°〜2°である割合が85%以上とすることで、スパッタリング時のパーティクル数を低減するものである。好ましくはKAM値が0°〜2°の割合が95%以上とする。
また、本発明の実施形態に係るMgO焼結体スパッタリングターゲットは、平均結晶粒径が30μm以上であることが好ましい。平均結晶粒径が30μm未満であると、パーティクル発生数を低減できない場合がある。
また、本発明の実施形態に係るMgO焼結体スパッタリングターゲットは、相対密度99.9%以上であることが好ましい。焼結体中の空隙等によって密度が低くなると、そこを起点として、パーティクルが発生する場合がある。
本発明の実施形態に係るMgO焼結体スパッタリングターゲットは、次のようにして作製することができる。
まず、MgO原料粉として、レーザー回折散乱法で測定した粒子径の粒度分布が、D10:0.4μm、D50:0.7μm、D90:1.9μmのものを準備する。原料粉の粒度分布が狭いものを用いることが、GOS値やKAM値の低下に寄与する。
次に、上記した条件のMgO原料粉をカーボンダイスに充填し、これを、真空中又は不活性雰囲気下でホットプレス焼結する。このとき、焼結温度は1300℃以上、1800℃以下、焼結時間は2〜6時間、プレス圧は100〜400kgf/cmとするのが好ましい。焼結温度を高く、また、焼結時間を長くすることが、GOS値やKAM値の低下に寄与する。
ホットプレスの昇温速度は、3℃/min以上(500℃以上の温度領域)とし、ホットプレスの降温速度は、−3℃/min以上(500℃以上の温度領域)とすることが好ましい。ホットプレスの昇温速度や降温速度が速くすることが、GOS値やKAM値の低下に寄与する。
また、ホットプレス焼結後、MgO焼結体を大気中で加熱してもよい。大気加熱を行うことが、さらなるGOS値やKAM値の低下に寄与する。大気加熱は、1200℃以上1400℃以下、1〜3時間とするのが好ましい。また、ホットプレス焼結後に、MgO焼結体をHIP処理してもよい。HIP処理を行うことが、さらなる、GOS値やKAM値の低下に寄与する。
ホットプレス後又は大気加熱後若しくはHIP処理後のMgO焼結体を切削、研磨等の仕上げ加工を行って、所望するMgO焼結体スパッタリングターゲットを得ることができる。
本開示において、評価方法は、実施例、比較例を含め、以下の通りとした。
(GOS及びKAMの測定方法)
円盤状のMgOスパッタリングターゲットから場所の異なる(中心部、半径1/2、外周部)3つの小片を用意した。各々の小片をスパッタ面に平行な面で切断し、切断面を鏡面研磨した後、EBSD用の測定試料とした。次に、超分解能分析操作電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ社製 SU―70)を用いて、後方散乱電子回折像法(EBSD)分析を行った。このとき、試料は70°傾けた試料台に設置して、加速電圧15kVにてEBSD分析を行った。各試料において結晶方位測定を行い、得られたデータをEBSD解析ソフト(TSLソリューションズ社製 OIM Analisis)を用いて、各試料のGOS値及びKAM値を算出し、その平均値を求めた。
(平均結晶粒径の測定方法)
レーザー顕微鏡を用いてMgOスパッタリングターゲットの表面を観察し、顕微鏡の画像の横方向に結晶粒が15個前後入るように倍率を設定した。次に、その顕微鏡画像の縦横に3分割の直線を引いた後、画像の縦、横、スケールの長さを測定した。次いで各々の線と粒界が交わった点をカウントした後、以下の式に、それぞれの値を導入して平均結晶粒径を測定した。
平均結晶粒径=([縦の長さ]+[横の長さ]×2×[スケール値])/([スケールの長さ]×[粒界と交わった点の総数])
(相対密度の測定方法)
相対密度は、アルキメデス法によって焼結体の密度を測定し、相対密度(%)=測定密度/理論密度(3.65g/cm)×100によって算出した。
以下、実施例および比較例に基づいて説明する。なお、本実施例はあくまで一例であり、この例によって何ら制限されるものではない。すなわち、本発明は特許請求の範囲によってのみ制限されるものであり、本発明に含まれる実施例以外の種々の変形を包含するものである。
(実施例1)
レーザー回折散乱法で測定した粒子径の粒度分布が、D10:0.4μm、D50:0.7μm、D90:1.9μm、であるMgO原料粉を準備した。次に、このMgO原料粉をカーボンダイスに充填した後、真空中、焼結温度1500℃にて、6時間、ホットプレス焼結を実施した。このとき、昇温速度を3℃/min、降温速度を−3℃/minとした。得られたMgO焼結体は、GOS値(0°〜1°の割合)は84%、KAM値(0°〜2°の割合)は94%であり、所望の結果が得られた。また、平均結晶粒径は50μm、相対密度は99.99%であった。
次に、この焼結体をスパッタリングターゲットに加工後、スパッタリングを実施して、ウエハ上にMgO膜を成膜した。ウエハ上(n=5枚)の粒径0.05μm以上のパーティクル数をカウントしたところ、平均50個未満にパーティクルを低減することができた。
(実施例2)
MgO原料粉のレーザー回折散乱法で測定した粒子径の粒度分布を調整した以外は、実施例1と同様の方法によって、MgO焼結体スパッタリングターゲットを作製した。なお、粒子径の粒度分布が、D10:0.2μm、D50:0.4μm、D90:1.4μmであるMgO原料粉を用いた。得られたMgO焼結体は、GOS値(0°〜1°の割合)は84%、KAM値(0°〜2°の割合)は94%であり、所望の結果が得られた。また、平均結晶粒径は50μm、相対密度は99.99%であった。
次に、この焼結体をスパッタリングターゲットに加工後、実施例1と同様の条件でスパッタリングを実施して、ウエハ上にMgO膜を成膜した。ウエハ上(n=5枚)の粒径0.05μm以上のパーティクル数をカウントしたところ、平均50個未満とパーティクルを低減することができた。
(実施例3−6)
ホットプレスの焼結温度及び焼結時間を調整した以外、実施例1と同様の方法により、MgO焼結体スパッタリングターゲットを作製した。なお、実施例3は、焼結温度を1400℃とし、実施例4は、焼結温度を1600℃とし、実施例5は、焼結時間を3時間とし、実施例6は、焼結時間を10時間と変化させた。得られたMgO焼結体は、GOS値(0°〜1°の割合)は、それぞれ81%(実施例3)、89%(実施例4)、81%(実施例5)、89%(実施例6)であり、KAM値(0°〜2°の割合)は、それぞれ91%(実施例3)、94%(実施例4)、92%(実施例5)、94%(実施例6)であり、所望の結果が得られた。また、平均結晶粒径はいずれも30μm以上、相対密度はいずれも99.99%であった。
次に、これらのMgO焼結体をスパッタリングターゲットに加工後、実施例1と同様の条件でスパッタリングを実施して、ウエハ上に成膜した。ウエハ上(n=5枚)の粒径0.05μm以上のパーティクル数をカウントしたところ、平均50個未満とパーティクルを低減することができた。
(実施例7−8)
ホットプレスの昇温速度又は降温速度を調整した以外、実施例1と同様の方法により、MgO焼結体スパッタリングターゲットを作製した。なお、実施例7は、昇温速度を10℃/min、降温速度を−10℃/minとし、実施例8は、昇温速度を3℃/min、高温速度を−3℃/minとした。なお、いずれも500℃以上の温度領域における昇温速度及び降温速度である。
得られたMgO焼結体は、GOS値(0°〜1°の割合)は、それぞれ82%(実施例7)、90%(実施例8)であり、KAM値(0°〜2°の割合)は、それぞれ92%(実施例7)、95%(実施例8)であり、所望の結果が得られた。また、平均結晶粒径はいずれも30μm以上、相対密度はいずれも99.99%であった。
次に、これらのMgO焼結体をスパッタリングターゲットに加工後、実施例1と同様の条件でスパッタリングを実施して、ウエハ上に成膜した。ウエハ上(n=5枚)の粒径0.05μm以上のパーティクル数をカウントしたところ、平均50個未満とパーティクルを低減することができた。
(実施例9−10)
実施例1と同様の条件で作製したMgO焼結体スパッタリングターゲットについて、実施例9では、その後に大気加熱を実施し、実施例10では、その後のHIP処理を実施した。前記大気加熱の条件は、加熱温度1300℃、加熱時間2時間とした。また、前記HIP処理の条件は、処理温度1300℃、処理時間2時間、プレス圧を1000kgf/cmとした。それら処理後のMgO焼結体は、GOS値(0°〜1°の割合)は、それぞれ94%(実施例9)、97%(実施例10)であり、KAM値(0°〜2°の割合)は、それぞれ97%(実施例9)、98%(実施例10)であった。また、平均結晶粒径はいずれも30μm以上、相対密度はいずれも99.99%であった。
次に、この焼結体をスパッタリングターゲットに加工後、実施例1と同様の条件でスパッタリングを実施して、ウエハ上にMgO膜を成膜した。ウエハ上(n=5枚)の粒径0.05μm以上のパーティクル数をカウントしたところ、いずれも平均30個未満とパーティクルを著しく低減することができた。
(実施例11−13)
上記実施例1において、さらにホットプレスの条件(保持温度、昇温速度、降温速度)、HIP処理(保持温度)の条件を変えて、MgO焼結体を作製した。ホットプレスやHIP処理等の条件は表1の通りとした。得られたMgO焼結体は、GOS値(0°〜1°の割合)は、それぞれ78%(実施例11)、92%(実施例12)、93%(実施例13)であり、KAM値(0°〜2°の割合)は、それぞれ87%(実施例11)、99%(実施例12)、99%(実施例13)であり、いずれの場合も実施例1より向上していることを確認した。また、平均結晶粒径はいずれも30μm以上、相対密度はいずれも99.99%であった。
次に、この焼結体をスパッタリングターゲットに加工後、実施例1と同様の条件でスパッタリングを実施して、ウエハ上にMgO膜を成膜した。ウエハ上(n=5枚)の粒径0.05μm以上のパーティクル数をカウントしたところ、いずれも平均30個未満とパーティクルを著しく低減することができた。
(比較例1)
MgO原料粉のレーザー回折散乱法で測定した粒子径の粒度分布を調整した以外は、実施例1と同様の方法によって、MgO焼結体スパッタリングターゲットを作製した。なお、粒子径の粒度分布が、D10:0.1μm、D50:0.7μm、D90:2.8μmであるMgO原料粉を用いた。得られたMgO焼結体は、GOS値(0°〜1°の割合)は72%、KAM値(0°〜2°の割合)は85%と所望の結果が得られなかった。
次に、この焼結体をスパッタリングターゲットに加工した後、実施例1と同様の条件でスパッタリングを実施して、ウエハ上にMgO膜を成膜した。ウエハ上(n=5枚)の粒径0.05μm以上のパーティクル数をカウントしたところ、平均100個超となり、実施例を大幅に上回る結果となった。
(比較例2−3)
ホットプレスの焼結条件を調整した以外、実施例1と同様の方法により、MgO焼結体スパッタリングターゲットを作製した。なお、比較例2は、昇温速度を20℃/min、降温速度を−20℃/minとし、実施例3は、焼結温度を1200℃とした。得られたMgO焼結体は、GOS値(0°〜1°の割合)が、それぞれ74%(比較例2)、69%(比較例3)となり、また、KAM値(0°〜2°の割合)が、それぞれ81%(比較例2)、78%(比較例3)となり、所望の結果が得られなかった。また、比較例3では、平均結晶粒径が15μmであり、相対密度が99.7%と低密度であった。
次に、これらのMgO焼結体をスパッタリングターゲットに加工した後、実施例1と同様の条件でスパッタリングを実施して、ウエハ上にMgO膜を成膜した。ウエハ上(n=5枚)の粒径0.05μm以上のパーティクル数をカウントしたところ、平均100個超となり、実施例を大幅に上回る結果となった。
以上の結果を表1に示す。
本発明の実施形態に係るMgO焼結体スパッタリングターゲットは、スパッタリングの際にパーティクルの発生を低減することができるという優れた効果を有する。このようなMgO焼結体スパッタリングターゲットを用いて成膜することにより、スパッタ膜の質を改善することができる。本発明の実施形態に係るMgO焼結体スパッタリングターゲットは、特に、スピネル型MRAMに用いられTMR素子のトンネル膜の形成に有用である。

Claims (6)

  1. GOS(Grain Orientation Spread)が0°〜1°の割合が75%以上であるMgO焼結体スパッタリングターゲット。
  2. GOS(Grain Orientation Spread)が0°〜1°の割合が90%以上であることを特徴とするMgO焼結体スパッタリングターゲット。
  3. KAM(Kernel Average Misorientation)が0°〜2°の割合が85%以上であることを特徴とするMgO焼結体スパッタリングターゲット。
  4. KAM(Kernel Average Misorientation)が0°〜2°の割合が95%以上であることを特徴とするMgO焼結体スパッタリングターゲット。
  5. 平均結晶粒径が30μm以上である請求項1乃至4のいずれか一項に記載のMgO焼結体スパッタリングターゲット。
  6. 相対密度が99.9%以上であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載のMgO焼結体スパッタリングターゲット。
JP2019539303A 2018-09-13 2019-03-06 MgO焼結体スパッタリングターゲット Active JP6832437B2 (ja)

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