JP4860029B2

JP4860029B2 - ２種以上の金属から成る高密度スパッタ・ターゲットの製造方法

Info

Publication number: JP4860029B2
Application number: JP2000233926A
Authority: JP
Inventors: − フンロチ; エス、ジルマンポール; ドレイパーダーリル; − リーホーフン
Original assignee: プラックセアーエス．ティ．テクノロジー、インコーポレイテッド
Priority date: 1999-08-03
Filing date: 2000-08-02
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2020-08-02
Also published as: DE10035719A1; DE10035719B4; JP2001073128A; FR2798395B1; KR20010049970A; US6042777A; FR2798395A1; KR100755724B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスの製造で、２種以上の金属から成る薄膜を物理蒸着させるために使用する２種類以上の元素粉末の混合物から２種以上の金属から成るスパッタ・ターゲットを製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
２種類以上の元素から成る金属間薄膜は、半導体デバイスにおいて抵抗または拡散バリヤ（障壁）として使用されている。この金属間薄膜（すなわち、２種以上の金属から成る薄膜）は、通常、物理蒸着法（ＰＶＤ）によって半導体ウェーハ上に被着される。ＰＶＤ法では、プラズマまたはイオンビームがスパッタ・ターゲット材料に投射され、スパッタ・ターゲット材料の粒子がスパッタ表面から排出せしめられる。そして、これらの排出粒子が半導体ウェーハ上に薄膜として被着する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
２種類以上の元素から成る金属間スパッタ・ターゲットは、粉末冶金または鋳造技術のいずれかによって製造できる。粉末冶金法によれば、薄膜特性を制御するために重要なパラメータである粒度分布に関して鋳造法よりも均一なマイクロ組織が形成される。また、多くの金属間ターゲット材料を構成する個々の元素の融点が大きく相違するため、鋳造法はあまり好ましい方法とは言えない。
【０００４】
粉末冶金技術では、製造工程および個々の元素の特性に応じて多相金属ターゲット組織または単相金属ターゲット組織のいずれかが形成される。多相金属組織の欠点は、元素間でスパッタリング速度に差があるため、単相金属間化合物から形成される場合よりも薄膜組成の均一性が劣ることである。例えば、多相Ｔｉ−Ａｌスパッタ・ターゲットでは、アルミニウムはチタンよりも速く放出される。単相ＴｉＡｌ₃化合物では、金属間化合物は一貫した速度で放出され、それ故、被着膜組成の均一化に寄与する。
【０００５】
金属間スパッタ・ターゲットを製造するために利用される従来の粉末冶金技術は、圧力を加えずに加熱炉内で金属粉末を合成し、これにより個々の金属が反応して金属間材料（２種以上の金属から成る材料）の塊体を形成するものであった。この後、燒結された塊体を所定の粉末密度に微細化するために、フライス切削処理または破砕処理が必要となる。次に、２種以上の金属から成る高密度スパッタ・ターゲットを形成するために、粉末が圧縮される。この従来法では、圧縮スパッタ・ターゲットを完成するために中間フライス切削を伴う２つの独立作業が行われる。フライス切削は、被着薄膜の不均一性を惹起する可能性のあるスパッタ・ターゲット材料の汚染をもたらす傾向がある。
【０００６】
したがって、この処理方法で生じる汚染を最小限に抑える２種以上の金属から成る高密度スパッタ・ターゲットの製造方法を開発する必要がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、２種以上の元素粉末から成る混合物を合成し、引き続き合成した金属間組織を燒結および圧縮して高密度圧縮ターゲットを形成することにより、２種類以上の元素から成る金属間スパッタ・ターゲットを製造する方法を提供するものである。このために、本発明の原理によれば、プレス・モールドまたは金属缶のような収納容器内で外部圧力を加えずに、粉末混合物をその金属粉末の融点のうちの最低融点下約１００℃〜約４００℃の温度に加熱することによって、金属粉末混合物が合成される。粉末混合物は、少なくとも約１時間、または金属粉末が完全に金属間組織に変化するまで、前記温度で保持される。この合成金属間粉末は、その後収納容器内で、金属間化合物の融点下約５０℃〜約３００℃の第２温度に加熱され、この間、２種以上の金属から成る高密度スパッタ・ターゲットを形成するために同時に外部圧力が化合物に対して加えられる。金属間粉末（２種以上の金属から成る粉末）は、好ましくは、第２温度およびその圧力に少なくとも１時間の間、保持される。この圧力は、プレス・ダイ・モールドによって、少なくとも約３５．２ｋｇ／ｃｍ²（０．５ｋｓｉ）の圧力で金属間粉末に対して一軸的に加えるか、または、密閉され排気されたカプセル内に収容されている金属間粉末に対して少なくとも約７０３ｋｇ／ｃｍ²（１０ｋｓｉ）で等静圧的（静水圧的）に加えることができる。
【０００８】
本発明の代替例では、金属間組織の合成時に水素による掃気を行なって最終スパッタ・ターゲットの酸素レベルを減少させる。金属間組織が形成された後、残留水素の全てを除去するために真空状態で粉末を圧縮することが好ましい。本発明のさらに他の代替例では、特に１００μｍよりも大きな粒度に関して、多段階加熱処理を施し、合成温度から最終的な燒結温度に達するまで約２００℃〜３００℃の増分温度で加熱し、各増分温度では約１〜３時間保持する。
【０００９】
本発明の全実例において、理論密度の少なくとも９０％の最終密度と、単相金属間組織とを有する金属間スパッタ・ターゲットを製造するために、低汚染法が実行される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、２種以上の元素粉末の混合物を使用した２種以上の元素から成る金属間スパッタ・ターゲットの製造方法を提供するものであり、特に異種金属間の融点の差が大きな場合の同製造方法を提供するものである。本発明の方法では、単一装置内での２段階熱処理を行なっており、そのため、金属間塊体の中間的な破砕は必要でない。産物である金属間スパッタ・ターゲットは、理論密度の約９０％を超える最終密度を有するとともに、その汚染は、粉末冶金技術によって得られる最小限のものである。
【００１１】
本発明の熱処理の第１段階では、２種以上の金属粉末が均一に混合され、収納容器または圧縮装置に装填される。例えば、これらの金属粉末は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｗ、Ｓｉ、ＭｏおよびＴａのうちの２種以上であってよい。さらに他の例によれば、金属間組織は、以下の粉末混合物、すなわちＴｉ−Ａｌ、Ｎｉ−Ａｌ、Ｃｒ−Ａｌ、Ｃｕ−Ａｌ、Ｃｏ−Ａｌ、Ｆｅ−Ａｌ、Ｗ−Ｓｉ、Ｍｏ−Ｓｉ、Ｔａ−Ｓｉ、Ｔｉ−Ｓｉ、Ｃｏ−Ｓｉ、Ｃｒ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−ＴｉおよびＡｌ−Ｎｉ−Ｔｉから形成できる。列挙したこの例は、２種類の金属と３種類の金属の混合物だけを含んでいるが、本発明の原理は、４種類以上の元素の金属間混合物にも適用できることを理解すべきである。使用する各金属粉末の量は所望の最終金属間組織によって決まる。例えば、各３モルのアルミニウムに対して１モルのチタンが最終金属間ＴｉＡｌ₃を得るために使用される。
【００１２】
混合粉末を装入する収納容器は、粉末ベッド（粉末床）に圧力を加えるために使用する圧縮技術に応じて決定される。熱間圧縮技術を用いることができ、その場合、収納容器は黒鉛製ダイ・モールドのようなダイ・モールドである。熱間等静圧圧縮技術（熱間等静圧プレス法＝熱間アイソスタティック（静水圧）・プレス法）を用いてもよく、この場合、排気され密封された金属缶が収納容器として使用され、この金属缶は、例えばチタン、ステンレス鋼、ベリリウム、コバルト、銅、鉄、モリブデンまたはニッケルのような金属で作られる。
【００１３】
収納容器に装入後、粉末混合物はその成分金属の融点のうちで最低の融点下約１００℃〜約４００℃の或る温度に、真空中またはアルゴンや窒素のような不活性ガス雰囲気中で加熱される。例えば、Ｔｉ−Ａｌから成る粉末混合物では、Ｔｉの融点は約１６７０℃であり、Ａｌの融点は約６６０℃である。したがって、その粉末混合物は、アルミニウムの融点下約１００℃〜４００℃の温度に加熱される。換言すればＴｉ−Ａｌ混合物は温度約２６０℃〜約５６０℃に加熱される。粉末混合物は、少なくとも約１時間の間、または金属粉末が金属間組織に完全に変化してしまうまで、前記温度に保持される。１００μｍ未満の平均粒度を有する粉末では、合成のために、通常約１〜５時間を要す。４０μｍ未満の粒度の粉末では、合成に約１〜２時間しかかからない。粒度が１００μｍを超えると、完全な合成に約５〜８時間を要する。合成段階では、外部圧力を加えない。このことによって、金属粉末間の発熱反応によって生じる爆発的応力のために黒鉛ダイのような収納容器に亀裂を生じることが回避される。また、合成時に収納容器が存在すると、粉末成分が拘束されるとともに、粉末成分が、圧縮前に破砕する必要のある塊体になることが防止される。むしろ、収納容器内での合成後に直接圧縮可能な密集した小型の粉末ベッドが形成される。
【００１４】
合成が完了した後、まだ収納容器内にある状態で、第２段階が直ちに開始され、金属間粉末は、その金属間化合物の融点下約５０℃〜約３００℃の或る温度に、真空または不活性ガス雰囲気中で加熱される。金属間化合物の融点は一般に個々の元素粉末の融点の間にあり、特定合金系の状態図を参照して決定できる。再び述べるが、例えば、Ｔｉ−Ａｌ系を使用すれば、ＴｉＡｌ₃は約１３５０℃の融点を有する。したがって、この特定の単相金属間化合物に関しては、第２段階の温度は、１３５０℃である金属間融点下約５０℃〜３００℃である。換言すれば、金属間粉末は約１０５０℃〜約１３００℃に加熱される。３種類の金属の混合物では、３元金属間化合物が形成されるか、または２種または３種の２元金属間化合物が形成されて、最終金属間組織になるであろう。このことは４種類以上の元素粉末の混合についても該当する。それらの系では、各金属間化合物が融点を有する。したがって、金属間粉末を加熱する第２段階の温度は、金属間組織に存在する金属間化合物の融点のうちの最低融点下約５０℃〜約３００℃になるだろう。
【００１５】
第２段階の加熱と同時に、圧力が金属間化合物に加えられる。例えば、プレス・ダイ・モールドに対して一軸方向の圧力が加えられ、または金属缶内のカプセル化された粉末に対して等静圧が加えられる。一軸方向の圧縮は、典型的には少なくとも３５．２ｋｇ／ｃｍ²（０．５ｋｓｉ）の圧力で行われ、等静圧プレス（静水圧プレス）は少なくとも７０３ｋｇ／ｃｍ²（１０ｋｓｉ）の圧力で行われる。温度および圧力は、金属間粉末の密度を十分に高めるために少なくとも１時間の間保持される。
【００１６】
粉末密度が十分に高められたならば、圧力が解除され、ターゲット素材が冷却される。その後、圧縮されたターゲット素材は、機械旋盤、カッターまたはグラインダー（研磨機）を使用して所望の最終形状、寸法に機械加工される。
【００１７】
本発明の別の例では、１００μｍを超える平均粒度を有する粉末に関しては、金属間組織を形成する合成時間を短くするために、第１段階で多段階加熱処理が行われる。この例では、混合粉末は、その個々の金属成分の融点のうちの最低融点下約１００℃〜約４００℃の温度まで加熱し、この第１温度に約１〜３時間保持した後、２００〜３００℃の増分温度にて第２段階温度まで加熱することによって、部分的に合成される。各増分温度では、次の増分温度の前に、約１〜３時間の間保持される。したがって、金属間組織は、第１温度に保持された後に完全には形成されておらず、最終燒結温度と圧力に達する前の増分的な加熱の間に十分に形成される。したがって大きな粒度の粉末では、この多段階の第１段階加熱処理を行うことが、合成時間を短くするために推奨される。
【００１８】
本発明のさらに他の例では、スパッタ・ターゲットが低酸素用として製造可能である。金属間組織の形成時の水素による掃気が酸素レベルを低下させる。したがって、合成段階の間、収納容器を水素掃気することにより、粉末成分と反応して酸化物を形成することになる酸素の存在を防ぐ。水素掃気を行うと、金属間組織の形成後に若干の水素が容器内に残ることになる。したがって、その後、第２段階で、収納容器内を真空になし、圧力を加えて金属間粉末を加熱する。これによって、２種以上の金属から成る高密度スパッタ・ターゲットが形成されるとともに、残留水素が除去される。
【００１９】
本発明の原理を更に立証するために、以下の代表例を示す。
【００２０】
例１
約６６０℃の融点を有する６モルのアルミニウム粉末（１６２ｇｍ）、および約１６７０℃の融点を有する２モルのチタン（９６ｇｍ）を、均一な混合物にするために３時間の間混合した。次いで、混合粉末を黒鉛製ダイ・モールド内に装入して、アルゴン雰囲気中で３５０℃（この第１温度は混合物中の金属の融点のうちの最低融点の金属の融点下３１０℃である）に加熱し、約２時間の間３５０℃に保持した。その後、黒鉛製ダイ・モールド内で温度１２００℃（この温度は金属間ＴｉＡｌ₃の融点下１５０℃である）に昇温した。この昇温の間、圧力を７０．３ｋｇ／ｃｍ²（１ｋｓｉ）に増大した。温度１２００℃および圧力７０．３ｋｇ／ｃｍ²（１ｋｓｉ）は３時間の間保持した。その後、この圧力を解除し、圧縮されたスパッタ・ターゲットを室温まで冷却した。圧縮されたスパッタ・ターゲットの密度は理論密度の約９６％であり、Ｘ線回折によってターゲット組織が単相ＴｉＡｌ₃であることを確認した。この圧縮素材は、その後ダイヤモンド輪グラインダー（研磨機）を用いて厚さ６．３５ｍｍ（０．２５インチ）に研磨し、ＷＣポイント・ツールを有する旋盤を用いて７６．２ｍｍ（３インチ）径まで機械加工した。次いで、機械加工されたスパッタ・ターゲット・ディスクを銅製裏当て板に接合して、完全なスパッタ・ターゲットと裏当て板の組立体を作り、スパッタリング機に装着した。そして、スパッタリング機よって、半導体ウェーハ上に物理蒸着によるＴｉＡｌ₃薄膜を被着させた。
【００２１】
例２
Ａｌ、ＳｉおよびＴｉの３種金属のスパッタ・ターゲットを製造するために、それぞれ６６０℃および１６６８℃の融点を有するこれらの３種類の金属粉末を均一に混合して、収納容器内に装入し、約２６０〜５６０℃の第１温度に加熱した。混合物は、Ａｌ₂Ｓｉ₂Ｔｉの金属間組織が形成されるまで、第１温度に１〜８時間の間保持した。温度は、その後、約９２７℃〜約１１７７℃の第２温度まで昇温した。この温度は、３元状態図から決定されるとおり１２２７℃である金属間融点下３００℃〜５０℃である。この第２温度において、粉末密度を十分に高めるために一軸方向の圧力または等静圧（アイソスタティック圧＝静水圧）を加え、少なくとも１時間の間維持した。
【００２２】
例３
Ａｌ、ＮｉおよびＴｉの３種金属のスパッタ・ターゲットを製造するために、それぞれ６６０℃、１４５５℃および１６６８℃の融点を有するこれらの３種類の金属粉末を均一に混合して、収納容器内に装入し、約２６０〜５６０℃の第１温度に加熱した。混合物は、金属間組織が形成されるまで、第１温度に１〜８時間の間保持した。この系では、金属間組織が、それぞれ１３８５℃、１３５０℃および１３１０℃の金属間融点を有する２元化合物のＡｌＮｉ₃、ＡｌＴｉおよびＮｉＴｉを含むだろう。その後、温度を約１０１０℃〜約１２６０℃の第２温度まで上昇させた。この温度は３つの２元状態図から決定されるとおり、１３１０℃である最低金属間融点の融点下３００℃〜５００℃である。この第２温度において、粉末密度を十分に高めるために一軸方向の圧力または等静圧を加え、少なくとも１時間の間維持した。
【００２３】
かくして、処理工程で生じる汚染を極少化する２種以上の金属から成る高密度スパッタ・ターゲットの製造方法が提供された。
【００２４】
以上、本発明の具体例についてかなり詳細に説明したが、特許請求の範囲に記載された範囲はそれらの細目で制限されるわけではない。当業者にとって、明細書で記載した以外の利点および変形が明らかであろう。例えば、多数の代表的な合金系を示したが、本発明は、あらゆる種類の金属間スパッタ・ターゲットを形成する方法を提供するものである。したがって、本発明は、広義の観点において、特定の細目、代表的な装置、方法、および図示し説明した例に限定されることはない。したがって、出願人の広い発明思想の範囲および精神から逸脱することなく、明細書の詳細な説明の記載内容から逸脱することはできる。

Claims

少なくとも２種類の金属粉末の混合物を形成するために、融点を有する第１の金属粉末を、該第１の金属粉末の融点よりも高い融点を有する少なくとも第２の金属粉末と混合する段階と、
融点を有する金属間組織を形成するために有効な時間の間、第１の金属粉末の融点下４００℃から第１の金属粉末の融点下１００℃までの間の第１温度に、収納容器内で前記混合物を加熱する段階と、
前記金属間組織の前記融点下３００℃から前記金属間組織の前記融点下５０℃までの間の第２温度に、前記収納容器内で前記金属間組織を加熱すると同時に、前記金属間組織に圧力を加えて２種以上の金属から成る高密度スパッタ・ターゲットを形成する段階とを含む２種以上の金属から成るスパッタ・ターゲットの製造方法。
少なくとも２種類の金属粉末の混合物を形成するために、融点を有する第１の金属粉末を、該第１の金属粉末の融点よりも高い融点を有する少なくとも第２の金属粉末と混合する段階であって、第１および第２の金属粉末がＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｗ、Ｓｉ、ＭｏおよびＴａから成る群から選ばれた元素であり、金属粉末の混合物がＴｉ−Ａｌ、Ｎｉ−Ａｌ、Ｃｒ−Ａｌ、Ｃｕ−Ａｌ、Ｃｏ−Ａｌ、Ｆｅ−Ａｌ、Ｗ−Ｓｉ、Ｍｏ−Ｓｉ、Ｔａ−Ｓｉ、Ｔｉ−Ｓｉ、Ｃｏ−ＳｉおよびＣｒ−Ｓｉから成る群から選ばれた２種類の金属の混合物である前記混合段階と、
融点を有する金属間組織を形成するために有効な時間の間、第１の金属粉末の融点下４００℃から第１の金属粉末の融点下１００℃までの間の第１温度に、排気され密封された金属カプセル内で前記混合物を加熱する段階と、
前記金属間組織の融点下３００℃から前記金属間組織の融点下５０℃までの間の第２温度に、前記金属カプセル内で前記金属間組織を加熱すると同時に、前記金属間組織に少なくとも７０３ｋｇ／ｃｍ²の等静圧を加えて、２種以上の金属から成る高密度スパッタ・ターゲットを形成する段階とを含む２種以上の金属から成るスパッタ・ターゲットの製造方法。
３種類の金属の混合物を形成するために、融点を有する第１の金属粉末、および第１の金属粉末の融点よりも高い融点をそれぞれ有する第２の金属粉末および第３の金属粉末を混合する段階であって、前記３種類の金属の混合物がＡｌ−Ｓｉ−ＴｉまたはＡｌ−Ｎｉ−Ｔｉである前記混合段階と、
融点を有する金属間組織を部分的に形成するために１〜３時間の間、第１の金属粉末の融点下４００℃から第１の金属粉末の融点下１００℃までの間の第１温度に、排気され密封された金属カプセル内で前記混合物を加熱する段階と、
前記部分的に形成された金属間組織の融点下３００℃から前記部分的に形成された金属間組織の融点下５０℃までの間の第２温度に、前記第１温度から第２温度までを２００〜３００℃の増分温度で昇温させるとともに該金属間組織を完全に形成するために１〜３時間の間各増分温度に維持することを含む多段階加熱処理によって、前記部分的に形成された金属間組織を前記金属カプセル内で加熱すると同時に、前記金属間組織に少なくとも７０３ｋｇ／ｃｍ ²の等静圧を加えて２種以上の金属から成る高密度スパッタ・ターゲットを形成する段階とを含む２種以上の金属から成るスパッタ・ターゲットの製造方法。