KR20010034218A

KR20010034218A - 코발트 - 티타늄 합금 스팟터링 타겟트 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20010034218A
Application number: KR1020007007879A
Authority: KR
Inventors: 다까하시카즈시게; 미야시타히로히또
Original assignee: 노미야마 아키히콰; 가부시키가이샤 쟈판 에나지
Priority date: 1998-11-20
Filing date: 1999-06-29
Publication date: 2001-04-25
Also published as: WO2000031316A1; EP1091015A1; EP1091015A4; TW475946B

Abstract

Ti 0.5 ∼ 20 at% 를 함유하는 Co - Ti 합금을 진공용해 및 주조(鑄造)에 의해 Co - Ti 합금 잉고트를 형성한 후, 이 잉고트를 열간가공에 의해 Co - Ti 합금 스팟터링 타겟트로 하는 것으로써, 산소 함유량은 100 ppm 이하, 결정입경이 50 μm 이하이다. 이 Co - Ti 합금 스팟터링 타겟트는 상기한 바와 같이 산소 함유량이 적고, 성막(成膜)의 균일성이 양호하여 파티클의 발생이 적은 스팟터링 박막을 얻을 수 있다.

Description

코발트 - 티타늄 합금 스팟터링 타겟트 및 그 제조방법{Co-Ti ALLOY SPUTTERING TARGET AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

반도체 박막의 형성방법으로서, 스팟터링법이 널리 이용되고 있다. 스팟터링법은 양극(陽極)이 되는 기판과 음극이 되는 타겟트를 대향(對向)시켜, 불활성 가스 분위기 하에서 이들의 기판(基板)과 타겟트의 사이에 고전압(高電壓)을 인가(印加)하여 전장(電場)을 발생시키는 것으로서, 이때 전리(電離)된 전자와 불활성 가스가 충돌하여 플라즈마가 형성되며, 이 플라즈마 중(中)의 양(陽) 이온이 타겟트 표면에 충돌하여 타겟트 구성원자를 두들겨서 그 원자를 튀어나오게 하고, 이 튀어나온 원자가 대향(對向)하는 기판표면에 부착하여 막(膜)이 형성된다고 하는 원리를 이용한 것이다.

현재, 일반적으로 행해지고 있는 스팟터링의 대부분은, 이른바 마그네트론 스팟터링이라고 불리고 있는 방법이 사용되고 있다. 마그네트론 스팟터링법은 타겟트의 뒷쪽에 자석을 설치하여 타겟트 표면에 전계(電界)와 수직방향으로 자계(磁界)를 발생시켜 스팟터링을 행하는 방법이고, 이러한 직교전자계(直交電磁界) 공간내에서는 플라즈마의 안정화 및 고밀도화가 가능하고, 스팟터 속도를 크게할 수 있다는 특징을 가지고 있다.

일반적으로 이러한 마그네트론 스팟터링법을 사용하여 박막을 기판상에 형성하는 것이 행하여지고 있다.

종래, Co - Ti 합금 스팟터링 박막은 Ti 함유량의 엄밀한 콘트롤(Control)이 필요하고 웨이퍼 상(上)에 균일하게 성막되어져야 하는 것이 필요했다.

이러한 Co - Ti 합금의 스팟터링 박막을 형성하는 방법의 하나로서, 우선 Co 타겟트와 Ti 타겟트의 두 종류의 타겟트를 준비하여 이것을 기판상에 교호(交互)로 스팟터링하여, 소정 두께로 성막한 후 다시 열처리하여 소정의 Co - Ti 합금 박막으로 하는 것이 행하여지고 있었다. 그러나 이러한 것은 박막을 형성하는 공정을 여러번 많이 하여야 하고, 그에 따르는 막 두께의 콘트롤 등이 복잡해져 비용이 많이 들므로 실용적이지 않다는 결점을 가지고 있었다.

이러한 이유로 상기와 같은 방법을 대신하는 것으로써 Co 판과 Ti을 교호(交互) 로 평면적으로 나열하여 배치한, 이른바 모자이크 타겟트를 사용하는 것이 고안되었다. 이것은 스팟터링할 때에 일일이 Co 타겟트와 Ti 타겟트의 두 종류의 타겟트를 교환할 필요가 없기 때문에 효율적이지만 성막의 유니포미티가 나쁘고, Co - Ti 합금의 조성이 웨이퍼 상(上)에서 불균일하게 되기 쉽고, 그것도 품질이 나빠서 실용적이지 않다는 결점이 있었다.

이상과 같은 결점이 있기 때문에 실리사이드나 W, Mo 등의 고융점(高融点) 금속 타겟트에서 자주 사용되고 있는 소결체 타겟트가 사용되었다.

그러나 이 소결체 타겟트의 제조공정에서 몇가지 문제가 있었다. 그것은 반도체 장치용에 적합한 고순도의 Co 분말 원료의 입수(入手)가 곤란하기 때문에 그 분말을 얻기 위한 특별한 제조공정을 필요로 하므로 생산원가가 매우 비싸게 된다는 것이다.

또한 소결체 타겟트는 산소 함유량이 높아져서, Co - Ti 합금 박막의 저항이 증가한다는 문제도 발생했다.

소결체 타겟트는 아무리 제조 조건을 개량하더라도, 100 % 의 밀도를 가진다는 것은 있을 수 없으며, 그 결과 소결체 타겟트의 밀도가 낮아지기 때문에 파티클 발생원인의 하나가 되었다.

또한, 스팟터링 성막시에 Ar 가스를 많게 하지 않으면 방전(放電)되지 않아 이 때문에 방전이 불안정하게 되며 또한 데포레이트(성막속도:成膜速度)의 변동이 심하고, 또 투자율(透磁率)의 제어가 대단히 곤란하다는 결점이 있었다.

이상에서와 같이, 목적으로 하는 특성을 얻기 위한 성막조건의 범위가 매우 좁고, 만족할 수 있는 Co - Ti 합금 타겟트가 얻어지지 않았다.

본 발명은 Co - Ti 합금(合金) 타겟트를 용해법(溶解法)에 의해 제작하여 산소량을 감소시켜서 타겟트의 제조공정 및 성막공정을 단축화함과 동시에, 유니포미티가 양호한 박막을 얻을 수 있는 Co - Ti 합금 스팟터링 타겟트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 산소함유량이 적으며 성막(成膜)의 유니포미티(uniformity)(균일성)가 양호하며 저(低) 파티클(particle)의 스팟터링 박막(薄膜)을 얻을 수 있는 Co 계 합금 스팟터링 타겟트에 관한 것이다.

제1도는 웨이퍼상(上)에서의 조성분석(組成分析) 위치를 나타내는 개략 설명도이다.

(발명의 개시)

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명자들은 진공 용해법에 의해 Co - Ti 합금스팟터링 타겟트를 제조함으로써 성막의 유니포미티를 개선하고 산소량을 감소할 수 있으며, 안정된 제조 조건에서 재현성(再現性)이 양호하고 또한 품질이 좋은 박막을 얻을 수 있다는 것을 알아내었다.

본 발명은 상기에서 알아낸 것에 근거하여,

1. Ti 0.5 ∼ 20 at% 를 함유하여 진공 용해법에 의해 제작된 것을 특징으로 하는

Co - Ti 합금 스팟터링 타겟트

2. 산소 함유량이 100 ppm 이하인 것을 특징으로 하는 상기 1 에 기재한 스팟터링

타겟트

3. 결정입경(結晶粒徑)이 50 μm 이하인 것을 특징으로 하는 상기 1 또는 2 에 기

재한 스팟터링 타겟트

4. 타겟트에 있어서의 면내(面內) 방향의 최대 투자율(透磁率)이 30 미만, 판 두께

방향의 최대 투자율이 5 이상 100 미만인 것을 특징으로 하는 상기 1 ∼ 3 에

기재한 스팟터링 타겟트

5. Ti 0.5 ∼ 20 at % 를 함유하는 Co - Ti 합금을 진공용해 및 주조(鑄造)에 의해

Co - Ti 합금 잉고트(Ingot)를 형성한 후, 이 잉고트를 열간가공(熱間加工)에

의해 타겟트로 한 것을 특징으로 하는 Co - Ti 합금 스팟터링 타겟트의 제조

방법

, 을 제공하는 것이다.

(발명의 실시의 형태)

본 발명의 Co - Ti 합금 스팟터링 타겟트는 Ti 0.5 ∼ 20 at% 를 함유한다. 잔부(殘部)는 기본적으로 Co 이고, 허용되는 불가피적(不可避的) 불순물을 함유해도 좋다. 이 타겟트의 제조에 있어서는 우선 고순도의 Co 와 Ti 를 진공중에서 용해한다. Co 의 원료로서는 고순도의 Co 를 사용하지만, 시판(市販)되고 있는 순도 99.9 % 이상의 것을 사용할 수 있다. Ti는 순도 99.995 % 이상의 것을 사용한다.

이 Co - Ti 합금을 용제후(溶製後) 소정의 블럭(잉고트)으로 주조(鑄造)하여, 이것을 열간(熱間)으로 단조(鍛造) 또는 압연가공하고, 이것을 다시 끝마무리 다듬질 가공하여, 평판상(平板狀)이나 기타 마그네트론 스팟터링 장치에 설치할 수 있는 타겟트 형상으로 성형(成形)한다.

상기의 열간가공(熱間加工)은 800 ∼ 1190 ℃ 의 범위에서 행한다. 이 열간가공은 주조(鑄造)한 상태의 비교적 거친(粗) 조직을, 보다 치밀하게 하여 결정입(結晶粒)을 미세화하는 수단으로서 유효하다.

이 열간가공에 의하여, 본 발명의 타겟트의 품질을 더욱 향상시킬 수 있다.

이상에 의하여 얻어진 본 발명의 합금 타겟트의 산소 함유량은 1OO ppm 이하이고, 결정입경(結晶粒徑)은 50 μm 이하의 치밀한 조직을 가진다.

더욱이 본 발명의 Co - Ti 합금 스팟터링 타겟트의 산소 함유량을 80 ppm 이하로, 또한 결정입경은 30 μm 이하로 하는 것도 가능하다.

본 발명의 Co - Ti 합금 스팟터링 타겟트의 Ti 함유량을 0.5 ∼ 20 at % 로 하는 이유는, Ti 함유량이 20 at % 를 초과하면 스팟터링 막의 막의 평탄도가 악화되어 비저항(比抵抗)이 증가하기 때문이고, 또한 0.5 at % 미만이면 Ti 함유의 효과가 없어지기 때문이다.

또한 본 발명에 있어서 산소 함유량 1OO ppm 이하의 타겟트를 용이하게 얻을 수 있지만, 산소 함유량이 100 ppm 을 초과하면 Co - Ti 합금 박막의 저항이 증가하기 때문에, 상한(上限)을 이 범위로 하는 것이 필요하다. 바람직하게는 상기에 기술한 바와 같이, 80 ppm 이하로 하는 것이 좋다.

결정입경은 50 μm 이하의 치밀한 조직을 가지는 본 발명의 용제(溶製) Co - Ti 합금 타겟트를 사용하여 스팟터링 성막(成膜)하면, 종래의 소결체 타겟트와 비교하여 각별히 뛰어난 유니포미티를 가지는 Co - Ti 합금 박막을 기판(웨이퍼) 상(上)에 형성하는 것이 가능하다.

상기 열간 가공을 800 ∼ 1190 ℃ 의 범위에서 행하는 이유는 잉고트 단계에서의 Ti 편석(偏析)을 해소하고, 크랙(crack)을 발생시키지 않으면서 열간가공하기 위해서이다.

상기 본 발명의 Co - Ti 합금 스팟터링 타겟트는 면내(面內) 방향의 최대 투자율(透磁率)이 30 미만, 판 두께 방향의 최대 투자율이 5 이상 100 미만이 된다.

이 용제법(溶製法)에 의한 저 투자율(底透磁率)의 Co - Ti 합금 타겟트를 사용하여 스팟터링하면 방전(放電)이 안정되어, 파티클 등의 결함이 적은 박막을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 Co - Ti 합금 타겟트에 있어서의 Ti 농도의 격차(格差)가 ± 0.2 wt% 이하가 되기 때문에 재현성(再現性)이 좋은 안정된 박막을 얻을 수 있다.

스팟터링에 의해 얻어진 박막의 산소 함유량도 타겟트와 동일하게 10O ppm 이하, 더욱이 80 ppm 이하로 할 수 있기 때문에, 저저항(低抵抗)의 막을 형성할 수 있다.

또한 박막 그 자체도 균일한 두께를 가져, 성분의 편석이 없이 치밀한 조직을 가지며, 유니포미티가 뛰어난 박막을 얻을 수 있다.

이하 실시예 및 비교예에 근거하여 설명한다. 그러나 본 실시예는 어디까지나 일례이고 이 예에 의해 어떠한 제한을 받는 것은 아니다. 즉 본 발명은 특허청구의 범위에 의해서만 제한되는 것이어서 본 발명에 포함되는 실시예 이외의 여러가지 변형을 포함하는 것이다.

(실시예1)

순도 99.99 % 이상의 Co 와 순도 99.995 % 이상의 Ti 를 원료로 하여 진공유도용해로(眞空誘導溶解爐)를 사용하여 Co - Ti 합금을 진공 용해하였다. 용해품은 Co - 10 at % Ti 와 Co - 15 at % Ti 의 두 종류이다.

표 1 에 이들의 합금조성을 나타낸다. 전기 Co - Ti 합금의 용해주조(溶解鑄造) 후, 얻어진 잉고트(170 × 200 × 30 t) 를 균열화처리(均熱化處理)(1100 ℃ 에서 2시간 유지)하여 그 후 12 t 까지 1 히트(heat) 1 패스(pass)로써 열간 압연하였다.

이들 열간압연판(熱間壓延板)으로부터 시료를 잘라내어, 산소량 분석, 자기특성측정(磁氣特性測定) 및 현미경 조직 관찰을 행하였다. 산소량은 LECO 회사의 산소 분석장치를 사용하여 분석하였다.

자기특성은 B - H 미터로 4 πI 코일을 사용하여, 최대 자계(磁界) 1000 Oe 에서 측정하였다. 조직 관찰은 단면을 연마하고 이것을 엣칭한 후, 광학현미경을 사용하여 관찰하였다.

산소량 분석결과를 표2에 나타낸다. 표2에 표시한 바와 같이 본 실시예의 2종류의 Co - Ti 합금의 산소량은 75 ppm 이고, 후술하는 비교예의 소결품과 비교하여 산소함유량이 낮은 결과를 얻을 수 있었다. 또한 자기 특성의 측정결과에서는 면내(面內)방향의 최대 투자율(透磁率)이 30 미만, 판 두께 방향의 최대 투자율(透磁率)이 5 이상 100 미만이 되는 저투자율(低透磁率)의 Co - Ti 합금을 얻을 수 있었다. 더욱이 광학 현미경 관찰에 의하면, 크랙(균열)이나 성분 편석이 없이 치밀한 조직을 가지고 있었다.

[표 1]

	조 성	비 고
실시예 1	Co - 10 at % Ti	용해품(溶解品)
실시예 1	Co - 15 at % Ti	용해품
비교예 1	Co - 10 at % Ti	소결품(燒結品)
비교예 1	Co - 15 at % Ti	소결품

[표 2]

	조 성	산 소 량	비 고
실시예1	Co - 10 at % Ti	75 ppm	용해품
실시예1	Co - 15 at % Ti	75 ppm	용해품
비교예1	Co - 10 at % Ti	360 ppm	소결품
비교예1	Co - 15 at % Ti	370 ppm	소결품

(비교예1)

순도 99.99 % 이상의 Co 분(粉)과 순도 99.995 % 이상의 Ti 분(粉)을 원료로 하여, 핫프레스 장치를 사용하여 진공 중의 1150 ℃ 에서 소결시켰다. 소결품은 Co - 10 at % Ti 와 Co - 15 at % Ti 의 2종류이다. 실시예 1 과 같이, 표 1 에 이들의 합금조성을 나타낸다.

이들의 소결품으로부터 시료를 잘라내어, 실시예 1 과 동일한 측정장치 등을 사용하여 산소량 분석, 자기 특성 측정 및 현미경 조직 관찰을 행하였다.

산소량 분석결과를 실시예 1 과 같이 표2 에 나타낸다. 표2 에 나타낸 바와 같이, 비교예 1 의 2종류의 Co - Ti 소결품의 산소량은 각각 360 ppm 과 370 ppm 이고, 실시예 1 의 용해 압연품과 비교하여 산소함유량이 증대하여 나쁜 결과를 가져온다.

광학 현미경 관찰에 의하면, 소결품 특유의 거친(粗) 조직을 이루며 용해품에 비교하여 치밀한 조직을 얻을 수 없다. 또한 자기 특성의 측정 결과에 있어서도 투자율(透磁率)이 높고, 실시예에 비하여 뒤떨어진다.

다음에, 스팟터링에 의한 파티클의 발생량과 박막 중의 성분조성의 변동을 조사하기 위하여 상기 실시예 1 의 2 종류의 Co - 10 at % Ti 와 Co - l5 at % Ti 합금의 압연판(壓延板)과 비교예 1 의 2 종류의 Co - 10 at % Ti 와 Co - 15 at % Ti 의 소결판으로부터 ø3″의 타겟트를 제작하였다.

(비교예 2)

또한, 일체형의 압연판 타겟트와 소결판 타겟트와의 대비를 위하여, 모자이크 타겟트를 제작하였다. 이 모자이크(mosaic) 타겟트의 Co 와 Ti는 실시예 1 과 동순도

(同純度)의 것을 각각 개별(個別)로, 실시예 1 의 조건에서 용해압연(溶解壓延) 한 것이다.

그리하여, 이와 같이 하여 얻은 압연판을 실시예 1 과 동일한 스팟터 에로우죤면

의 면적비가 되도록 Co 타겟트의 상(上)에 Ti 칩(3mm 각:角)을 놓고, 동일한 싸이즈(ø3″)의 모자이크 타겟트로 하였다.

상기에서 준비한 타겟트를 스팟터링 장치를 사용하여 실리콘 웨이퍼 상(上)에 박막을 형성하고, ＞0.3 μm 의 파티클의 발생상황 및 박막 중의 조성의 변동을 조사하였다. 파티클의 발생상황은 파티클 카운터를 사용하고, 박막중의 성분조성은 EPMA 를 사용하여 정량 분석하였다.

또 스팟터링 조건은, 기판간(間) 거리 : 60 mm, 가스압(Ar) : 0.5 Pa, 전압 : 500 V 이다.

파티클의 측정결과를 표3 에 나타낸다. 표 3 에 명확하게 나타낸 바와 같이, 실시예 1 의 용해압연에 의해 작성된 타겟트의 파티클 발생량은 O 개/㎠ 및 O.O2개/㎠ 로써 매우 적다.

이것에 비하여 비교예 1 의 소결체 타겟트는 파티클의 발생량이 한자리수(一桁) 이상 많아 나쁜 결과를 나타내었다.

비교예 2 의 용해 압연품에서 제작된 모자이크 타겟트의 파티클의 발생량은 비교예 1 의 소결체 타겟트와 비교하여 양호하지만, 실시예 1 의 일체형의 용해압연 타겟트와 비교하여 약간 나쁜 결과를 가져왔다.

[표 3]

	조 성	파티클 수(개/㎠)	비 고
실시예1	Co - 10 at % Ti	0	용해품
실시예1	Co - 15 at % Ti	0.02	용해품
비교예1	Co - 10 at % Ti	0.21	소결품
비교예1	Co - 15 at % Ti	0.32	소결품
비교예2	Co - 10 at % Ti	0.01	모자이크
비교예2	Co - 15 at % Ti	0.02	모자이크

다음에, 실리콘 웨이퍼 상(上)에 형성한 박막의 조성(Ti)의 변동량의 측정결과를 표 4 에 나타낸다. 또한, 실리콘 웨이퍼 상에 형성한 박막의 측정개소(測定箇所)를 제1도에 나타낸다. 이 제1도의 측정개소에 대응시켜, 표 4 에 그 분석치가 표시되어 있다.

표 4 로부터 명확한 바와 같이, 실시예 1 의 일체형의 용해 압연 타겟트와 비교예 1 의 소결체 타겟트에 대하여서는 조성(Ti)의 변동량은 적다. 그러나, 모자이크 타겟트는 이 조성의 변동이 웨이퍼 상에서 심하며 불량하다.

모자이크 타겟트는 파티클의 발생량이 적고 제조공정도 간단하기 때문에, 이점(利点)이 있는 것처럼 보이지만, 이처럼 조성의 변동이 있는 이상 부적당한 것이다.

이상으로부터 보아, 파티클의 발생량이 적으며, 웨이퍼 상(上)에 형성한 박막조성의 변동량도 적은 용해압연에 의해 제작한 일체형의 타겟트 (실시예1) 가 가장 양호한 타겟트라는 결과를 얻을 수 있었다.

[표 4]

	조 성	정량분석결과(at%Ti)	비 고
	조 성	A	비 고	B	C	D	E	F
실시예 1	Co - 10 at % Ti	9.9	10	10	10.1	10	9.9	용해품
실시예 1	Co - 15 at % Ti	14.9	15	15	14.9	15	15.1	용해품
비교예 1	Co - 10 at % Ti	10	10	10	9.9	9.9	10	소결품
비교예 1	Co - 15 at % Ti	15	15	15.1	15.1	14.9	15.2	소결품
비교예 2	Co - 10 at % Ti	10.3	11.1	9.7	9.5	10.9	8.9	모자이크
비교예 2	Co - 15 at % Ti	16.1	14.3	13.7	13.9	15.1	13.8	모자이크

(발명의 효과)

본 발명의 Co - Ti 합금 스팟터링 타겟트는 Ti 함유량을 0.5∼20 at % 로 하여 용해주조(溶解鑄造)에 의해 동합금(同合金)의 잉고트로 하고, 다시 이 잉고트를 열간가공하여 결정입경(結晶粒徑) 을 50 μm 이하, 산소 함유량 100 ppm 이하로 감소시킨 것이다.

이와 같이 하여 제조된 Co - Ti 합금 타겟트는 Ti 농도의 격차를 ± 0.2 wt % 이내로 할 수 있어, 저투자율(低透磁率), 저저항(低抵抗), 더욱이 파티클이 적은 스팟터링 박막을 웨이퍼 상(上)에 형성할 수 있다.

또한, 투자율(透磁率)의 제어가 용이하며, 소결체 타겟트에서 보는 바와 같은 성막시에 Ar 가스압을 높게 하지 않으면 방전하지 않는다고 하는 문제도 없다.

이것에 의해서 방전이 안정하며 성막속도의 변동도 적고, Co - Ti 합금 박막의 성막 조건의 범위도 넓게 잡을 수 있어 재현성이 좋고 안정된 성막이 가능하다고 하는, 종래의 모자이크 타겟트 또는 소결체 타겟트에 비하여 뛰어난 특성을 가지며 비용(cost)적으로도 저렴하게 얻을 수 있다는 현저한 효과가 있다.

Claims

Ti를 0.5 ∼ 20 at % 함유하여 진공용해에 의해 제작된 것을 특징으로 하는 Co - Ti 합금 스팟터링 타겟트.
제 1 항에 있어서, 산소 함유량이 100 ppm 이하인 것을 특징으로 하는 스팟터링

타겟트.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 결정입경이 50μm 이하인 것을 특징으로 하는

스팟터링 타겟트.
제 1 항 내지 제 3 항에 있어서, 타겟트에서의 면내(面內)방향의 최대 투자율(透磁率)이 30 미만, 판 두께(板厚) 방향의 최대 투자율이 5 이상 100 미만인 것을 특징으로 하는 스팟터링 타겟트.
Ti 0.5 ∼ 20 at% 을 함유하는 Co - Ti 합금을 진공용해 및 주조(鑄造)에 의해

Co - Ti 합금 잉고트를 형성한 후, 이 잉고트를 열간가공에 의해 타겟트로 하는

것을 특징으로 하는 Co - Ti 합금 스팟터링 타겟트의 제조방법.