KR100457724B1 - 스퍼터링용 텅스텐 타겟트 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

분체(粉體) 비(比) 표면적이 O.4 m²/g 이상의 텅스텐 분말을 사용하여, 16OO ℃ 이상의 온도에서 핫 프레스한 후 캡슐링하지 않고 1700 ℃ 이상의 온도에서 HIP 처리함에 의해 상대밀도 99% 이상, 평균 결정입경 100 ㎛ 이하의 스퍼터링용 텅스텐 타겟트를 얻을 수 있다.

이것에 의해서, 종래의 가압 소결법으로서는 달성할 수 없던 고밀도이고, 미세 결정 조직을 가지는 텅스텐 타겟트를 안정하고 또한 저비용으로 제조할 수 있으며, 그 타겟트를 사용한 막 위의 파티클 결함의 발생을 현저히 감소시킬 수 있다.

Description

스퍼터링용 텅스텐 타겟트 및 그 제조방법{TUNGSTEN TARGET FOR SPUTTERING AND METHOD FOR PREPARING THEREOF}

최근, 초 LSI의 고(高) 집적화에 수반하여 전기 저항치가 보다 낮은 재료를 전극재료나 배선재료로서 사용되는 검토가 행해지고 있으며, 그 중에서도 전기 저항치가 낮으며 열적(熱的) 및 화학적으로 안정된 고순도 텅스텐이 전극 재료나 배선재료로서 유망시되고 있다.

이 초 LSI용의 전극재료나 배선재료는 일반적으로 스퍼터링법 혹은 CVD법으로 제조되고 있으나, 스퍼터링법은 장치의 구조 및 조작이 비교적 단순하고 용이하게 성막(成膜)할 수 있으며 또한 생산원가가 낮으므로 CVD 법 보다도 널리 사용되고 있다.

그런데, 초 LSI 용의 전극재료나 배선재료를 스퍼터링법으로 성막할 때 성막면에 파티클이라고 불리는 결함이 존재하면 배선 불량 등의 고장이 발생하여 생산률이 저하된다. 이러한 성막면의 파티클 발생을 감소시키기 위해서는 고 밀도로서 결정입자가 미세한 텅스텐 타겟트가 요구된다.

종래, 텅스텐 타겟트의 제조방법으로서는 전자 빔(beam) 용해법을 사용하여 잉고트를 제작하고, 이것을 열간 압연하는 방법(일본 특개소 61-107728), 텅스텐 분말을 가압 소결한 후 다시 압연하는 방법(일본 특개평 3-150356) 및 CVD 법에 의해서 텅스텐의 저판(底板)의 일면에 텅스텐 층을 적층(積層)시키는, 이른바 CVD-W법(일본 특개평 6-158300)이 알려져 있다.

그러나, 상기의 전자 빔 용해법 혹은 텅스텐 분말을 가압 소결 후 압연하는 방법으로 제조된 텅스텐 타겟트는 결정립이 조대화(粗大化)되기 쉬우므로 기계적으로 취약하고 또한 스퍼터링한 막 위에 파티클 결함이 발생하기 쉽다고 하는 문제가 있었다.

한편, CVD-W 법은 양호한 스퍼터링 특성을 나타내지만 타겟트의 제작에 막대한 시간과 비용이 들어 경제성이 뒤떨어진다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은 IC, LSI 등의 게이트 전극 혹은 배선재료 등을 스퍼터링법에 의해서 형성할 때에 사용되어지는 텅스텐 타겟트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

(발명의 개시)

본 발명자들은 제조 공정이 비교적 간단한 분말 소결법에 착안하여, 사용되는 텅스텐 분말의 소결 특성을 개선함으로써 종래의 가압 소결법만으로서는 달성할 수 없었던 고밀도이면서 미세 결정조직을 가지는 스퍼터링용 텅스텐 타겟트를 만들어서, 이것에 의해서 스퍼터링에 따른 성막 위의 파티클 결함의 발생을 억제하여 동 텅스텐 타겟트를 저 코스트로서 안정하게 제조할 수 있는 방법을 얻고자 하는 것이다.

보통, 분말 야금법에서는 사용되는 분체(粉體)의 입도가 미세할수록, 즉 비표면적이 클수록 소결성이 향상된다는 것이 알려져 있으나, 시판되고 있는 고순도의 텅스텐 분말은 미세한 것이라도 비(比) 표면적이 O.2 m²/g 정도이다.

그래서, 본 발명자들은 비 표면적이 큰 텅스텐 분말을 사용한 가압 소결법을 검토한 결과, 분체 비표면적이 0.4 m²/g (BET 법) 이상, 바람직하게는 0.6 m²/g (BET 법) 이상의 텅스텐 분말을 사용하여 소결함으로써, 상대밀도 99 % 이상, 평균입경 100 ㎛ 이하, 산소함유량 20 ppm 이하로 하는 것이 가능해지며, 이것에 의해서 스퍼터링에 의한 성막 위의 파티클 결함의 발생을 억제할 수 있는 스퍼터링용 텅스텐 타겟트를 실현할 수 있었다.

본 발명의 스퍼터링용 텅스텐 타겟트를 얻는 제조방법으로서, 분체 비표면적이 O.4 m²/g (BET 법) 이상, 바람직하게는 0.6 m²/g (BET 법) 이상의 텅스텐 분말을 사용하여, 진공 혹은 환원 분위기 중에서 핫 프레스 소결을 행한 후, 다시 열간 등방(等方) 가압 소결(HIP)하여 스퍼터링용 텅스텐 타겟트로 하였다.

또한, 동 제조방법에 있어서 핫 프레스 소결에 의해 상대밀도를 93 % 이상으로 하는 것, 위와 동일한 제조방법에 있어서 온도 1600 ℃ 이상과 가압력 200 kg/cm²이상으로 핫 프레스 하는 것, 또 위와 동일한 제조방법에 있어서 캡슐링 하지 않고서 열간 등방 가압 소결(HIP)하는 것, 위와 동일한 제조방법에 있어서 온도 17OO ℃ 이상과 가압력 1OOO kg/cm²이상으로 열간 등방 가압 소결함으로써 고밀도이면서 또한 미세 결정조직을 가지는 스퍼터링용 텅스텐 타겟트를 보다 효과적으로제조할 수 있다.

그리고, 이들 방법에 의해 열간 등방 가압 소결 후의 상대밀도 99% 이상, 평균입경 100 ㎛ 이하, 산소 함유량 20 ppm 이하를 달성할 수 있어 스퍼터링용 텅스텐 타겟트를 저 코스트로써 안정하게 제조할 수 있다.

(발명의 실시의 형태)

통상, 시판되고 있는 순도 5N 이상의 고순도 텅스텐 분말은 분체 비표면적이 O.2 m²/g 이하의 것으로서 이 텅스텐 분말을 사용하여 가압 소결법에 의해 상대밀도 99 % 이상의 텅스텐 타겟트를 제작하기 위해서는 2000 ℃ 이상의 소성 온도가 필요하다. 그러나, 2000 ℃ 이상의 소성온도에서는 결정립이 1OO ㎛ 를 초과하여 조대화한다.

또한, 이러한 고온에서의 가압 소결은 예컨데 핫 프레스법에서는 다이스와 텅스텐과의 반응 혹은 HIP 에서는 캡슐재와의 반응이 발생하는 등의 중대한 문제가 되어 제조비용이 증대한다.

통상, 분말 야금법에서는 사용되는 분체의 입도가 미세할수록, 즉 비표면적이 클수록 소결성이 향상된다는 것이 알려져 있다.

그러나, 상기한 바와 같이 시판되고 있는 고순도의 텅스텐 분말은 미세한 것이라도 비표면적이 O.2 m²/g 정도이다.

그래서, 본 발명자들은 메타 텅스텐산 암모늄을 출발 원료로서 사용하여 고순도화 정제를 행하여 얻은 순도 5N 이상의 텅스텐산 결정을 수소 환원할 때의 수소 가스 공급량과 반응 생성가스의 제거속도를 빠르게 함으로써 비표면적이 O.4 m²/g 에서 1.4 m²/g의 텅스텐 분말을 제작하였다.

이와 같은 큰 비표면적을 가지는 텅스텐 분말을 1600 ℃ 이상, 가압력 2OO kg/cm²이상에서 핫 프레스함에 의해 상대밀도가 93 % 이상이 되고, 기공(氣孔)형태는 폐(閉)기공이 되기 때문에 캡슐링 하지 않고서 HIP 처리를 행하는 것이 가능해졌다.

상기한 바와 같이 핫 프레스 온도를 2000 ℃ 이상으로 하면, 치밀화에는 효과가 있지만 결정립의 조대화나 다이스와의 반응 등의 문제가 생기기 때문에 바람직하게는 1900 ℃ 이하에서 핫 프레스하는 것이 요망된다.

그리고, 다시 HIP 처리를 온도 1700 ℃ 이상, 가압력 1000 kg/cm²이상에서 행함으로써 상대밀도 99 % 이상, 평균 결정입경 1O0 ㎛ 이하의 텅스텐 타겟트를 얻을 수 있다.

텅스텐 분말의 비표면적이 클수록 핫 프레스 후의 텅스텐 소결체의 밀도가 높고 또한 결정조직이 미세하기 때문에 HIP 처리에 의한 밀도 증가도 용이해져서 H IP 처리 후의 밀도도 높아진다.

이렇게 해서 얻은 텅스텐 타겟트를 사용하여 제작한 막 위에는 파티클 결함의 발생이 현저하게 감소하였다.

(실시예 및 비교예)

이하, 실시예 및 비교예에 따라서 설명한다. 또한, 본 실시예는 어디까지나 일례이며 이 예에만 제한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명에 포함되는 다른 태양 또는 변형을 포함하는 것이다.

비표면적 O.42 m²/g, O.62 m²/g, 1.1 m²/g, 1.4 m²/g 의 텅스텐 분말을 카본(carbon) 다이스를 사용하여 가압력 2OO kg/cm², 온도 1600 ℃ 및 1800 ℃에서 핫 프레스를 행하였다.

얻어진 텅스텐 소결체의 밀도 및 평균 결정 입경을 표 1에 나타낸다. 이 텅스텐 소결체를 다시 18O0 ℃, 15OO kg/cm², 2시간 HIP 처리하여 얻어진 소결체의 밀도, 평균 결정입경, 산소 함유량 및 이 텅스텐 소결체를 사용하여 스퍼터링한 막 위의 파티클 수를 표 1에 나타낸다.

이 표 1에 나타낸 바와 같이, 핫 프레스 후의 소결체의 상대밀도는 93.7 %

∼ 98.8 % 가 되며, 또한 HIP 처리 후의 텅스텐 소결체의 상대밀도는 99.0 % ∼ 99.7 % 가 되어 어느 것이나 99 % 이상이 되었다. 그리고, 상대밀도는 텅스텐 분말의 비표면적이 커질수록 높아지는 경향이 있었다.

또한, 평균 결정 입경은 58 ∼ 88 ㎛ 이고 어느 것이나 100 ㎛ 이하였다. 또한 산소 함유량은 어느것이나 20 ppm 이하였다.

이 텅스텐 소결체를 사용하여 스퍼터링한 막 위의 파티클 수는 O.O1 ∼ O.O7개/cm²가 되며 어느 것이나 O.1 개/cm²이하로서 매우 양질의 막을 얻을 수 있었다.

(비교예1)

사용되는 텅스텐 분말의 비표면적이 O.23 m²/g 인 것 이외는 실시예와 동일한 조건, 즉 가압력 2OO kg/cm², 온도 16OO ℃ 및 1800 ℃에서 핫 프레스를 행하고, 다시 이 텅스텐 소결체를 1800 ℃, 1500 kg/cm², 2시간 HIP 처리하여 소결체로 하였다.

이 경우 핫 프레스 후 소결체의 상대밀도, 평균 결정입경, HIP 처리 후의 상대밀도, 평균 결정 입경, 산소함유량 및 이 텅스텐 소결체를 사용하여 스퍼터링한 막 위의 파티클 수를 표 1에 나타낸다.

이 결과, 표 1에 나타낸 바와 같이 핫 프레스 온도 1600 ℃의 경우에는 핫 프레스 후의 상대밀도가 91.1 % 로 낮아지고, 또한 HIP 후의 소결체의 상대밀도도 93.2 % 로 낮아졌다. 그리고, 이 소결체를 사용하여 스퍼터링한 막 위의 파티클 수는 1.7 개/cm²가 되어 파티클이 이상하게 많아 문제가 있는 스퍼터막이 형성되었다.

또한, 핫 프레스 온도 1800 ℃의 경우에는 핫 프레스 후의 상대밀도가 93.6 % 가 되어 대체로 만족되는 밀도였으나, HIP 후의 소결체의 상대밀도가 98.7 % 로 낮아졌다. 또한, HIP 후의 평균 입경이 130 ㎛가 되어 본 발명의 기준을 만족시키지 못했다.

그리고, 다시 이 소결체를 사용하여 스퍼터링한 막 위의 파티클 수는 O.6 개/cm²가 되어 파티클이 많아 문제가 있는 스퍼터막이 형성되었다.

이와 같이, 어느것이나 스퍼터링 성막 후의 파티클 수가 0.3 개/cm²이상이 되어, 초 LSI 용의 전극재료나 배선재료로서 양호하게 기능하는 스퍼터 막을 얻는 것이 불가능하였다.

(비교예2)

비 표면적이 O.23 m²/g 의 텅스텐 분말을 사용하여, 카본(carbon) 다이스를 사용하여 가압력 300 kg/cm², 온도 2200 ℃에서 핫 프레스한 후, 가압력 1500 kg/cm², 온도 1800 ℃에서 2시간 HIP 처리를 행하였다.

이 소결체의 평가결과를 표 1에 나타낸다.

핫 프레스 후의 상대밀도는 95.5 %, HIP 처리 후의 상대밀도는 99.0 % 가 되어 양호한 상대밀도를 나타내지만, 결정 입경이 177 ㎛ 가 되어 조대화되었다. 그리고, 파티클 수도 O.3 개/cm²가 되어 많았으며, 비교예 1과 마찬가지로 초 LSI 용의 전극재료나 배선재료로서 양호하게 기능하는 스퍼터 막을 얻을 수 없었다.

또한, 핫 프레스할 때의 카본(carbon) 다이스와의 반응도 현저하게 많이 일어났으며 다이스의 수명이 저하하였다. 이상으로부터, 비 표면적이 O.23 m²/g 의 텅스텐 분말의 사용은 문제가 있으며, 또한 핫 프레스 온도 2200 ℃는 제조효율을 저하시켜 적절한 방법이라고는 말할 수 없었다.

본 발명의 방법에 의해서 제조되는 스퍼터링용 텅스텐 타겟트는 종래의 가압소결법으로 얻을 수 있는 텅스텐 타겟트에 비하여 밀도가 높을 뿐 아니라 결정입경이 작다는 특징을 가지고 있으며, 또한 종래의 CVD-W 법에 비하여 현저하게 그 제조비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 이 텅스텐 타겟트를 사용하여 스퍼터링함에 의해 막 위의 파티클 결함이 현저히 감소하여 제품 생산률이 크게 향상한다는 우수한 특징을 가지고 있다.

Claims (10)

1. 분체비(粉體比) 표면적이 0.6 ㎡/g (BET법) 이상의 텅스텐 분말을 사용하여 진공 혹은 환원 분위기 중에서, 온도 1600℃ 이상, 가압력 200 kg/㎠ 이상에서 핫 프레스 소결을 행하여 상대밀도를 93% 이상으로 한 후, 다시 캡슐링을 하지 않고 온도 1700℃ 이상, 가압력 1000 kg/㎠ 이상에서 열간 등방 가압 소결(HIP) 하는 것을 특징으로 하는 열간 등방 가압 소결 후의 상대밀도가 99% 이상, 평균입경 100㎛ 이하, 산소 함유량 20 ppm 이하인 스퍼터링용 텅스텐 타겟트의 제조방법.
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