KR20150082051A - 스퍼터링 타겟 - Google Patents

Abstract

MgO를 주성분으로 하는 스퍼터링 타겟으로서, DC 스퍼터가 가능하고, 스퍼터에 의해, MgO 단체와 동일한 결정 구조를 갖는 박막을 기판 상에 생성할 수 있는 스퍼터링 타겟을 제공한다. 비도전성 산화물인 MgO와 도전성 산화물인 TiO를 포함하며, 상기 TiO의 조성비를 20∼60 mol%의 범위내로 함으로써, 전체로서 도전성을 갖는 스퍼터링 타겟을 구성한다.

Description

스퍼터링 타겟{SPUTTERING TARGET}

본 발명은, 비도전성 산화물인 MgO를 주성분으로 하는 스퍼터링 타겟(이하, 간단히 타겟이라고도 함)으로서, 직류(DC) 스퍼터가 가능한 타겟에 관한 것이다.

종래부터, 기판 상에 대한 박막 형성 기술로서 스퍼터링법이 알려져 있다. 이 스퍼터링법에서는, 진공 용기 내에 도입된 아르곤 등의 희가스 원소가 플라즈마화하고, 이 플라즈마화된 희가스 원소가 타겟에 충돌함으로써, 스퍼터 입자가 타겟으로부터 튀어나와, 이것이 기판 상에 퇴적하여 박막이 형성된다.

이러한 스퍼터링법 중, 산화막이나 질화막을 형성하는 수법으로는, 절연물의 산화물이나 질화물계의 타겟을 이용하여, 인가하는 전원에 고주파(RF)를 이용하는 RF 스퍼터가 일반적이다. 또한, 스퍼터 공간에 산소나 질소 등의 반응성 가스를 혼입시켜, 타겟의 구성 성분과의 반응 생성물에 의한 성막을 행하는 반응성 스퍼터도 알려져 있다.

그러나, RF 스퍼터는, 성막 속도가 느려 소자 제작의 생산 효율의 저하를 초래하고, 또한, 대면적 기판에는 부적합하며, 기판이 가열되고, 생산 비용이 높은 등의 과제를 갖고 있었다.

한편, 반응성 스퍼터는, 성막 속도는 빠르지만, 반응성 가스의 도입 전환 등의 번잡한 공정을 요하며, 성막의 균일성이 떨어지고, 아킹(arcing)이 발생하기 쉬운 등의 과제를 갖고 있었다.

이 때문에, 비도전성의 산화물이나 질화물을 효율적으로 균일하게 성막할 수 있는 방법이 요구되고 있다.

그런데, 타겟이 도전성인 경우는, 가장 간편한 스퍼터링법인, 타겟에 인가하는 전원에 직류(DC)를 이용하는 DC 스퍼터가 가능하다.

따라서, 비도전성 물질에 도전성 물질을 첨가하여, 타겟 전체로서는 도전성 물질로 함으로써, 이것을 DC 스퍼터의 타겟으로서 이용하는 것이 가능해진다.

예컨대, 국제공개 제2013/005690호(특허문헌 1)에, 절연체인 MgO와 도전성 화합물인 TiC, VC, WC 또는 TiN을 주성분으로 한 타겟에 의해, DC 스퍼터에 의해 MgO 막의 성막이 가능해지는 것이 기재되어 있다.

그러나, 상기 특허문헌 1에 기재된 바와 같은 도전성 화합물을 타겟에 첨가하는 경우에는 이하와 같은 문제가 있다. 예컨대, WC는, 결정계가 육방정계이고 결정 구조는 WC형 구조를 갖고 있어, MgO의 결정계가 입방정계이고 결정 구조가 NaCl형 구조인 것과는 상이하다. 또한, 결정의 격자 상수가, MgO가 4.208 Å인 데 비해 WC는 2.906 Å이며, 미스피트율(misfit ratio)(양 물질의 격자 상수의 차분을 MgO의 격자 상수로 나눈 비율)의 차이는 30.9%나 된다. 이 미스피트율이 높으면, MgO에 WC를 첨가한 경우, MgO의 결정계 및 결정 구조가 변화하여, MgO 자체의 특성이 변화할 우려가 있다.

한편, 상기 특허문헌 1에 기재된 그 밖의 도전성 물질인 TiC, VC 및 TiN은 모두 결정계가 입방정계이고, 결정 구조는 NaCl형 구조이며, MgO와 동일하다.

그러나, TiC의 격자 상수는 4.318 Å이고, MgO와의 미스피트율은 2.61%, VC의 격자 상수는 4.118 Å이고, MgO와의 미스피트율은 2.14%로, 모두 2%를 넘어, MgO에 포함된 상태의 타겟을 스퍼터하여 성막할 때 박막중에서의 MgO와의 정합성이 우려된다.

이에 비해, TiN의 격자 상수는 4.249 Å이고, MgO와의 미스피트율은 0.97%로 상기 각 도전성 물질 WC, TiC 또는 VC보다 작기 때문에, MgO와의 정합성에는 문제가 없다고 생각된다.

따라서, MgO분(粉) 75 mol% 및 TiN분 25 mol%를 혼합하여 소결시켜 가공한 타겟(비교예 2 참조)을 이용하여, 기판 상에 DC 스퍼터하여 박막을 형성하고, X선 회절 장치(XRD)에 의해 결정 방위를 측정했다. 도 2에 이 XRD 차트를 나타낸다.

도 2의 차트로부터, MgO나 TiN의 피크 이외에, Ti₂N, TiN_0.43, TiN_0.6 등의 이상(異相)이 나타나 있는 것을 알 수 있다. 즉, 원래의 MgO의 결정 방위와는 상이한 결정 방위의 것이 생성되어 있다. 이것으로부터, TiN의 첨가에 의해, MgO를 주성분으로 하는 타겟으로도 DC 스퍼터는 가능해지기는 하지만, MgO와는 상이한 결정 구조를 갖는 박막이 생성되어 버리는 것을 알 수 있다.

따라서, DC 스퍼터가 가능하고, MgO와의 미스피트율이 TiN보다 낮고, 스퍼터하여 기판 상에 생성된 박막에 있어서, MgO 자체의 결정 구조를 변화시키지 않도록 할 수 있는 타겟이 요구되고 있었다.

본 발명은, 상기 기술적 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, MgO를 주성분으로 하는 스퍼터링 타겟으로서, DC 스퍼터가 가능하고, MgO 단체(單體)와 동일한 결정 구조를 갖는 박막을 기판 상에 생성할 수 있는 스퍼터링 타겟을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

본 발명에 따른 스퍼터링 타겟은, 비도전성 산화물인 MgO와 도전성 산화물인 TiO를 포함하며, 전체로서 도전성을 갖는 것을 특징으로 한다.

MgO에 TiO를 첨가함으로써, 타겟 전체가 도전성을 가지며, DC 스퍼터가 가능한 타겟을 구성할 수 있다.

상기 타겟에서의 TiO의 조성비는 20∼60 mol%인 것이 바람직하다.

상기 범위내의 조성비라면 안정적인 DC 스퍼터를 행할 수 있다.

상기 타겟은 도전성을 갖고 있기 때문에, DC 스퍼터용으로서 적합하게 이용할 수 있다.

또한, 상기 타겟에 의하면, 스퍼터에 의해, MgO와 동일한 결정 구조인 NaCl형 결정 구조를 갖는 박막을 생성할 수 있다.

본 발명에 따른 스퍼터링 타겟에 의하면, 비도전성 산화물인 MgO를 주성분으로 하는 타겟이라 하더라도, DC 스퍼터가 가능해지고, 또한, 스퍼터에 의해 MgO 단체와 동일한 결정 구조를 갖는 박막을 기판 상에 형성할 수 있다.

도 1은, MgO분에 TiO분을 첨가하여 제작한 타겟을 스퍼터하여 형성한 박막의 XRD 차트이다.
도 2는, MgO분에 TiN분을 첨가하여 제작한 타겟을 스퍼터하여 형성한 박막의 XRD 차트이다.

이하, 본 발명에 관해 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 스퍼터링 타겟은, 비도전성 산화물인 MgO와 도전성 산화물인 TiO를 포함하며, 전체로서 도전성을 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.

이와 같이, MgO를 주성분으로 하는 타겟에, MgO와의 미스피트율이 낮은 TiO를 도전성 물질로서 첨가함으로써, 타겟 전체로서는 도전성을 갖는 것이 되어, DC 스퍼터가 가능한 타겟을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에서는, MgO에 첨가하는 도전성 물질로서 TiO를 이용함으로써, 그 타겟을 스퍼터하여 기판 상에 생성한 박막을, MgO 단체와 동일한 결정 구조를 갖는 것으로 할 수 있다.

TiO는, 입방정이며, 결정 구조는 NaCl형 구조, 격자 상수는 4.172 Å이다. 따라서, MgO와의 미스피트율은 0.86%로, 전술한 TiC, VC, WC 및 TiN보다 작다. 또한, MgO와 마찬가지로 산화물이며, MgO와의 정합성도 높기 때문에, 형성되는 박막의 결정 구조가 MgO 단체의 결정 구조와 동일해진다고 생각된다.

또한, TiO는, 비저항이 0.31 mΩㆍcm로, TiC의 61 μΩㆍcm, VC의 78 μΩㆍcm, WC의 19 μΩㆍcm 및 TiN의 40 μΩㆍcm에 비해 높지만, 비도전성 물질인 MgO에 첨가한 경우에도, 전체로서 도전성으로 하는 것이 가능하며, TiO의 첨가량이 많을수록 타겟의 비저항이 저하되는 것이 확인되었다.

따라서, 본 발명에 따른 타겟은, DC 스퍼터용으로서 적합하게 이용할 수 있다.

상기 타겟에서의 TiO의 조성비는 20∼60 mol%인 것이 바람직하다.

TiO의 조성비가 20 mol% 미만이면, 타겟 전체의 비저항을, 안정된 DC 스퍼터를 행하기 위한 기준이 되는 0.1 Ωㆍcm 이하로 하는 것이 어렵다.

한편, MgO는, 열전도율이 58.8 W/(mㆍK)로 산화물 중에서도 높고, TiO의 열전도율은 8.38 W/(mㆍK)로 MgO보다 낮다. 이 때문에, MgO에 첨가하는 TiO의 양을 늘리면, 그 양에 따라서, 그 타겟의 스퍼터에 의해 형성되는 박막의 열전도율이 감소한다.

TiO의 조성비가 60 mol%를 넘는 경우, 그 타겟의 스퍼터에 의해 형성되는 박막의 열전도율이 약 27 W/(mㆍK) 이하로, MgO 단체의 약 1/2 미만이 되어, 실용성의 면에서 바람직하지 않다.

도 1에, MgO분 45 mol% 및 TiO분 55 mol%를 혼합하여 소결시켜 가공한 타겟을 이용하여, 기판 상에 DC 스퍼터하여 박막을 형성하고, XRD 측정을 행한 결과의 차트를 나타낸다.

도 1로부터, 이 박막의 결정 구조는, NaCl형 구조가 완전히 유지되고 있는 것이 확인된다. MgO에 TiN을 첨가한 경우는, 전술한 바와 같이, MgO의 결정 구조인 NaCl형 구조 이외의 결정 구조가 나타나고 있는 것으로부터(도 2 참조), MgO에 TiO를 첨가하는 편이 TiN을 첨가하는 것보다 결정성의 점에서 우수하다고 할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 타겟에 의하면, MgO 단체와 동일한 NaCl 결정 구조를 갖는 박막을 스퍼터에 의해 형성할 수 있다.

또, 본 발명에 따른 타겟의 제조 방법은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예컨대, 하기 실시예에도 나타낸 바와 같이, MgO분에 TiO분을 첨가하여 얻어진 혼합분을 소결시킴으로써 제작할 수 있다.

여기서, 소결이란, 핫프레스법, 상압 소결법, HIP법(열간 등방압 가압법), SPS법(방전 플라즈마 소결법) 등 분말을 고온에서 굳히는 것을 말한다.

실시예

이하, 본 발명을 실시예에 기초하여 더욱 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 하기의 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

[실시예 1]

MgO분에 TiO분을 농도 20 mol%가 되도록 첨가하고, 볼밀로 4시간 교반하여 얻어진 혼합분을 핫프레스로(爐)에서 소결시켜, 직경 3 인치, 두께 5 mm의 타겟을 제작했다.

이 타겟의 사탐침 저항 측정에 의한 비저항은 0.09 Ωㆍcm였다.

이 타겟을 이용하여, 스퍼터링 장치로, 스퍼터 기판에는 실리카 유리를 사용하여, 출력 50 W로 DC 스퍼터를 행한 결과, 아킹 이외의 이상도 없고, 성막 속도는 1.9 nm/분으로, 안정적으로 스퍼터할 수 있었다.

또한, 상기 스퍼터에 의해 실리카 유리 기판 상에 생성된 박막에 관해 XRD 측정을 행한 결과, 2개의 명료한 X선 회절 피크가 얻어지고, 그 회절각은 MgO의 기준 피크의 회절각과 일치하는 것이 확인되었다.

[실시예 2]

TiO분의 농도를 50 mol%로 하고, 그것 이외에 관해서는 실시예 1과 동일하게 하여 타겟의 제작 및 평가를 행했다.

이 타겟의 비저항은 3.2 mΩㆍcm였다.

또한, 아킹 이외의 이상도 없고, 성막 속도는 1.9 nm/분으로, 안정적으로 스퍼터할 수 있었다.

또한, 스퍼터에 의해 생성된 박막의 XRD 측정에서도, 2개의 명료한 X선 회절 피크가 얻어지고, 그 회절각은 MgO의 기준 피크의 회절각과 일치하는 것이 확인되었다.

[비교예 1]

MgO분을 그대로 핫프레스로에서 소결시켜, 직경 3 인치, 두께 5 mm의 타겟을 제작하고, 실시예 1과 동일하게 하여 타겟의 평가를 행했다.

이 타겟의 비저항은 거의 무한대였기 때문에, 스퍼터링 장치로 출력 50 W로 DC 스퍼터를 행할 수 없었다.

또, RF 스퍼터를 행한 결과, 아킹 이외의 이상도 없고, 성막 속도는 0.6 nm/분으로, 안정적으로 스퍼터할 수 있었다.

또한, 상기 RF 스퍼터에 의해 생성된 박막의 XRD 측정에서는, 여러 개의 명료한 X선 회절 피크가 얻어지고, 그 회절각은 MgO의 기준 피크의 회절각과 일치하는 것이 확인되었다.

[비교예 2]

MgO분에 TiN분을 농도 25 mol%가 되도록 첨가하고, 볼밀로 4시간 교반하여 얻어진 혼합분을 핫프레스로에서 소결시켜 직경 3 인치, 두께 5 mm의 타겟을 제작하고, 실시예 1과 동일하게 하여 타겟의 평가를 행했다.

이 타겟의 비저항은 15 mΩㆍcm였다.

또한, 아킹 이외의 이상도 없고, 성막 속도는 1.5 nm/분으로, 안정적으로 스퍼터할 수 있었다.

또한, 스퍼터에 의해 형성된 박막의 XRD 측정에서는, 많은 명료한 X선 회절 피크가 얻어지고, 그 회절각의 일부는 MgO의 기준 피크의 회절각과 일치했지만, 대부분의 피크는 MgO의 기준 피크와 상이한 것이었다.

Claims (8)

1. 비도전성 산화물인 MgO와 도전성 산화물인 TiO를 포함하며, 전체로서 도전성을 갖는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
2. 제1항에 있어서, 상기 TiO의 조성비가 20∼60 mol%인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
3. 제1항에 있어서, 직류 스퍼터용인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
4. 제2항에 있어서, 직류 스퍼터용인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
5. 제1항에 있어서, 스퍼터에 의해, NaCl형 결정 구조를 갖는 박막을 생성하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
6. 제2항에 있어서, 스퍼터에 의해, NaCl형 결정 구조를 갖는 박막을 생성하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
7. 제3항에 있어서, 스퍼터에 의해, NaCl형 결정 구조를 갖는 박막을 생성하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
8. 제4항에 있어서, 스퍼터에 의해, NaCl형 결정 구조를 갖는 박막을 생성하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.

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