JPH05156384A - チタン−タングステンターゲット材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 スパッタリングした時にパーティクルの発生
が少ないチタン−タングステンターゲット材の製造方法
を提供する。 【構成】 タングステン粉末とチタン粉末あるいは水素
化チタン粉末との混合し、水素化チタン粉を用いた場合
は特に脱水素処理した後あるいは脱水素処理をしなが
ら、１５００−１７００℃で加圧焼結し、ターゲット材
断面に占めるミクロ組織の面積率で２０％以上のチタン
−タングステン合金相と、タングステン相およびチタン
相からなる組織を有し、平均結晶粒径が５０μｍ以下の
焼結体を得ることを特徴とするチタン−タングステンタ
ーゲット材の製造方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体デバイスに使用さ
れるバリアメタル層の形成等に用いられるチタン-タン
グステンターゲット材の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年のLSIの高集積化に伴い、アルミニ
ウム配線と半導体基板のシリコンとのコンタクト部にお
ける拡散析出部によるコンタクトマイグレーションなど
のアルミニウム配線のマイグレーションが問題となって
きた。その対策として近年バリアメタル層が検討されて
きた。バリアメタル層としては、チタン-タングステン
薄膜(代表的にはチタン:10wt%、残部タングステンの組
成を有する。)が多く使用され、その形成法としてはタ
ーゲットをスパッタリングする方法が採用されている。

【０００３】この薄膜用チタン-タングステンターゲッ
ト材は、一般にタングステン粉末とチタン粉末とを混合
し、ホットプレスすることにより製造されている。しか
しながら、従来のチタン-タングステンターゲットの原
料となるチタン粉末は酸素含有量が高く、酸素含有量の
多いターゲットしか得られていなかった。このような酸
素含有量の多いターゲットでは、スパッタリング中の酸
素の放離により、ターゲットの割れ、生成皮膜の酸化、
皮膜品質のばらつき等が生じ好ましくない。

【０００４】最近、このようなチタン-タングステンタ
ーゲットの酸素含有量を減らす方法として、米国特許4,
838,935号公報にチタン粉末の少なくとも一部を水素化
したチタンと置き換えること、あるいはバイノーダル(b
inodal)な粒径分布を有するタングステン粉末と水素化
したチタン粉もしくは水素化したチタン粉とチタン粉の
混合物を用いることにより、高密度低気孔率、およびカ
ーボンおよび酸素の含有量を低減できることが開示され
た。また、同様にチタン-タングステンターゲットの酸
素含有量を低減する方法として、特開昭63-303017号に
は、タングステン粉末と水素化したチタン粉を混合し、
脱水素後あるいは脱水素しながらホットプレスを行なう
方法が開示されている。この水素化したチタン粉末の使
用は、それ自体酸化防止に有効であるとともに、チタン
粉末に比べ破砕性が良好であるため、粉砕時の酸素ピッ
クアップ量を減ずることができるものである。このよう
にして、900ppm以下という低酸素濃度のチタン-タング
ステンターゲットが得られるようになった。このように
チタン-タングステンターゲット材においては、酸素の
含有量を低減するための研究が盛んに行なわれている。
しかし、上述した公報には、ターゲットを構成するチタ
ンとタングステンの組織がスパッタリングにどのような
影響をもたらすかを示唆する記載はなく、ミクロ組織、
特にチタン相の存在がスパッタにおけるパーティクルの
発生と関係するということについては全く開示されてい
ないものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】最近の半導体製品の電
極パターンの高密度・細線化に伴い、前述の低酸素濃度
のチタン-タングステンターゲットを用いてスパッタリ
ングしても、スパッタリングにより成膜した薄膜に巨大
粒子、いわゆるパーティクルが付着し、電極配線を断線
させるという新たな問題が生じてきた。このパーティク
ルの発生はチタン-タングステンターゲットの酸素含有
量を減ずるだけでは解決できなかった。本発明は、パー
ティクル発生の極めて少ない組織を制御したチタン-タ
ングステンターゲット材の製造方法を提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、ターゲット
組織とパーティクル発生との関係を詳細に検討したとこ
ろ、パーティクルの発生は次の原因によることを見出し
た。 (1)チタンとタングステンの共存下では原子量の軽いチ
タンが選択的にスパッタリングされ、チタン相に内包さ
れるタングステンあるいはその近傍のタングステンが巨
大粒子のままターゲット材から飛散すること (2)結晶粒同士のスパッタリング速度の差により、スパ
ッタリング期間中にターゲット表面が凸凹に粗れ、ター
ゲット表面の凸凹へのスパッタリング粒子の付着しこれ
が剥離すること 本発明者は、上述したパーティクルの原因(1)に対し
て、チタンとタングステンのスパッタリング速度の差に
よるタングステン粒子の飛散の少ないターゲット材とす
るには、チタン相とタングステン相の間にチタン-タン
グステン合金相を設けることが有効であることを見出し
た。また、上述したパーティクルの原因(2)に対して、
結晶粒径を特定値以下に規定することが有効であること
を見出した。

【０００７】即ち、本発明はタングステン粉末とチタン
粉末との混合粉を１５００−１７００℃で加圧焼結し、
ターゲット材断面に占めるミクロ組織の面積率で２０％
以上のチタン−タングステン合金相と、タングステン相
およびチタン相からなる組織を有し、平均結晶粒径が５
０μｍ以下の焼結体を得ることを特徴とするチタン−タ
ングステンターゲット材の製造方法である。もう一つの
本発明は、タングステン粉末と水素化したチタン粉末と
を混合粉砕処理し混合粉を得、次いで脱水素処理をした
後あるいは脱水素処理しながら１５００−１７００℃で
加圧焼結し、ターゲット材断面に占めるミクロ組織の面
積率で２０％以上のチタン−タングステン合金相と、タ
ングステン相およびチタン相からなる組織を有し、平均
結晶粒径が５０μｍ以下の焼結体を得ることを特徴とす
るチタン−タングステンターゲット材の製造方法であ
る。

【０００８】本発明のターゲット材の製造方法の最大の
特徴は、焼結の温度を１５００−１７００℃というチタ
ンとタングステンの液相が発現する温度の近傍とするこ
とにより、加圧焼結中にチタン−タングステン合金相を
生成することである。また加圧焼結の温度を１５００℃
以上としたのは、１５００℃未満では、加圧焼結中にチ
タン−タングステン合金相が生成しにくいためであり、
１７００℃を越えるとチタン−タングステン合金相の生
成は多くなるが、液相発現温度を越えているため、結晶
粒の成長が著しく、平均結晶粒径を５０μｍ以下にする
のが困難となるためである。本発明においてチタンある
いは水素化したチタンおよびタングステンの混合粉にお
けるそれぞれの粒径は２０μｍ以下であることが好まし
い。それぞれの粒径が２０μｍを越えると、チタンとタ
ングステンを均一に混合できなくなるとともに、チタン
粒とタングステン粒の接触面積が減少するため、チタン
−タングステン合金相が生成しにくくなるためである。
このように、加圧焼結によってチタン-タングステン合
金相を形成することにより、実質的なチタン相量を減ら
すことができ、ターゲット材中に粗大チタン粒子の発生
を防止することができる。また、タングステン相とチタ
ン相のスパッタリング速度の差をこのチタン-タングス
テン合金相により緩衝することができる。

【０００９】パーティクルの発生を少なくするために実
質的に必要なチタン-タングステン合金相の面積率は２
０％以上である。タングステン粉末とチタン粉末の圧接
部で形成する程度のチタン-タングステン合金の量で
は、チタン-タングステン合金相が形成されたとは言え
ない。本発明では、より具体的にパーティクルの発生を
少なくできるチタン-タングステン合金相の量を示すた
めに面積率２０％以上と限定した。なお、本発明におい
てチタン−タングステン合金相とはチタンとタングステ
ンの合金であればその組成は問わず、また冷却時に析出
する微細なαチタンを含むものを除外するものではな
い。また、本発明において、タングステン相およびチタ
ン相はそれぞれタングステンおよびチタンのみで構成さ
れる必要はない。たとえば、タングステン粉末とチタン
粉末の焼結体を加熱した場合には、得られた組織のタン
グステン相内には、少量のチタンは拡散するのは当然で
あり、同様にチタン相にも少量のタングステンは拡散し
得るのである。

【００１０】本発明において、チタン-タングステンタ
ーゲット材の平均結晶粒径は５０μｍ以下が好ましく、
さらに望ましくは２０μｍ以下である。平均結晶粒径
は、ターゲット材の破面の600倍の組織写真を撮影し、
この写真に20mm間隔で平行線を引き、この直線と交わっ
た結晶粒の結晶粒の結晶粒径と結晶数を測定し、それぞ
れの結晶粒径の合計を結晶数で除した値と定義する。チ
タン-タングステンターゲット材の平均結晶粒径が大き
くなると、個々の結晶粒がそれぞれ有する結晶方位の影
響が大きくなり、結晶粒ごとにスパッタ速度に差が生ず
ることとなり、ターゲット表面に凹凸ができ、凹凸部へ
のスパッタ粒子の付着、剥離等によりパーティクルを増
加させる原因になる。

【００１１】なお、タングステン粉末は好ましくは純度
99.99%以上、さらに好ましくは純度99.999%以上の高純
度タングステン粉末であることが望ましく、チタンは純
度99.99%以上の高純度チタンであることが望ましい。ま
た本発明において、水素化した高純度チタン粉末を用い
るのはターゲット材中の酸素含有量を減らすことができ
るためである。このとき粉末の混合と粉砕は別々に行う
こともできるが本発明ではボールミル、アトライタ等の
機械的に粉砕と混合を同時に行う装置を用いることによ
り、チタンとタングステンの比重差によって不均一な混
合物になることを防ぐことができる。

【００１２】

【実施例】

(実施例１)高純度タングステン粉末(純度99.999%以上、
平均粒径5μm以下)と水素化した高純度チタン(純度99.9
9%以上、平均粒径75μm以下:以下水素化チタンという)
とを水素化チタンが10.36wt%になるように配合し、タン
グステン内張りのポットとタングステン製ボールを使用
した専用ボールミル内に投入した後、ポット内を真空排
気した後、Arガスで置換し非酸化性雰囲気とし、90分間
粉砕しつつ混合した。 得られた混合粉は、20μm以上
の水素化チタンは観察されず、平均粒径は4μmであっ
た。また、混合粉の酸素含有量は６２０ｐｐｍであっ
た。

【００１３】得られた混合粉を真空炉内に導入し、５×
１０マイナス５乗torrに真空排気しながら、700℃×24
時間加熱し、脱水素処理を行った。脱水素後ホットプレ
スダイスに充填し、１４００〜１７５０℃×５時間３０
０ｋｇ／ｃｍ²の条件でホットプレスによる加圧焼結を
実施し、ターゲット材を得た。得られたターゲット材の
６００倍の組織写真を撮影し、画像解析装置によりチタ
ン−タングステン合金相のターゲット材断面に占めるミ
クロ組織の面積率を求めた。また、ターゲット材の焼結
体の平均結晶粒径はターゲット材破面の６００倍の組織
写真を撮影し、この写真に20mm間隔で平行線を引き、こ
の直線と交わった結晶粒の結晶粒径および数を測定し、
平均結晶粒径を計算した。また得られたターゲット材を
φ３００に加工し、ターゲットとした。このターゲット
を用いて、６インチウエハーにスパッタリングを実施
し、このウエハー上に発生した０．５μｍ以上のパーテ
ィクルを計数した。

【００１４】これらの結果を表１に示す。また図１に１
６００℃×５時間のホットプレスを実施して得られた本
発明のターゲット材の６００倍の組織写真を示す。また
図２に図１に示したターゲット材の破面の組織写真を示
す。

【００１５】

【表１】

【００１６】表１より、１５００℃ないし１７００℃で
加圧焼結を実施した本発明例である試料Ｎｏ．３ないし
８のターゲット材はチタン−タングステン合金相の面積
率が２０％以上であり、平均結晶粒径は５０μｍ以下で
あるため、スパッタリングによるパーティクルの発生は
２５個／６インチウエハー以下に抑えられていることが
わかる。一方、本発明例に比べて、加圧焼結温度の低い
試料Ｎｏ．１および２はチタンタングステン合金の面積
率が小さく、パーティクルも本発明例よりも多く発生し
ている。また、本発明例に比べて加圧焼結温度の高い試
料Ｎｏ．９はチタン−タングステン合金相の面積率は大
きいものであるが、結晶粒の成長により平均結晶粒径が
５０μｍ以上となり、パーティクルの発生数が本発明例
に比べ多く好ましくないことがわかる。また、図１に示
す本発明のターゲットの組織は白色のタングステン粒で
あるタングステン相と、タングステン粒間を取り巻く灰
色のチタン−タングステン合金相と、黒色のチタン相で
構成されていることがわかる。また、図２に示す本発明
のターゲット材の破面の組織からは、本発明のターゲッ
ト材の結晶粒は平均粒径は８μｍであり微細なものであ
ることが確認できた。

【００１７】

【発明の効果】本発明の方法によれば、チタン-タング
ステンのターゲット材の組織をチタン-タングステン合
金相を主体としてタングステン粒子とチタン相が分散
し、粗大チタン粒が極めて少なく、また結晶粒径の小さ
いという特徴のある新規な組織を有するターゲット材が
製造できる。本発明の方法で製造されたターゲット材を
用いればパーティクル発生の極めて少ないスパッタリン
グが実施できるので、半導体デバイスの品質向上に非常
に有効なターゲットおよび薄膜を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のターゲット材の金属ミクロ組織写真で
ある。

【図２】本発明のターゲット材の破断面で結晶粒の大き
さを示す金属ミクロ組織写真である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 タングステン粉末とチタン粉末との混合
   粉を１５００−１７００℃で加圧焼結し、ターゲット材
   断面に占めるミクロ組織の面積率で２０％以上のチタン
   −タングステン合金相と、タングステン相およびチタン
   相からなる組織を有し、平均結晶粒径が５０μｍ以下の
   焼結体を得ることを特徴とするチタン−タングステンタ
   ーゲット材の製造方法。
2. 【請求項２】 タングステン粉末と水素化したチタン粉
   末とを混合粉砕処理し混合粉を得、次いで脱水素処理を
   した後あるいは脱水素処理しながら１５００−１７００
   ℃で加圧焼結し、ターゲット材断面に占めるミクロ組織
   の面積率で２０％以上のチタン−タングステン合金相
   と、タングステン相およびチタン相からなる組織を有
   し、平均結晶粒径が５０μｍ以下の焼結体を得ることを
   特徴とするチタン−タングステンターゲット材の製造方
   法。