KR20020068535A - 스퍼터링용 티타늄 타겟트 - Google Patents

Abstract

스퍼터링용 티타늄 타겟트에 함유되는 산소의 불순물 농도가 20 ppm 이하, 이 타겟트의 최대 결정입경이 20 ㎛ 이하인 스퍼터링용 티타늄 타겟트에 관한 것으로서 파티클이나 이상 방전 현상이 발생하지 않고, 오염물질이 적으며, 또한 연질의 스퍼터링용 티타늄 타겟트를 제공한다.

Description

스퍼터링용 티타늄 타겟트{TITANIUM TARGET FOR SPUTTERING}

최근, 반도체의 비약적인 진보가 이루어져 여러가지 전자기기(電子機器)가 생겨나고, 또한 그 성능의 향상과 새로운 기기의 개발이 시시각각 이루어지고 있다.

이러한 가운데, 전자, 디바이스 기기가 보다 미소화(微小化)되어지고 있음과 동시에 또한 집적도(集積度)도 높아지는 추세이다. 이들 많은 제조공정 중에서 다수의 박막이 형성되고 있으나, 티타늄도 그 특이한 금속적 성질 때문에 티타늄 및 그 합금의 막, 티타늄 실리사이드의 막, 또는 질화 티타늄의 막 등으로써 많은 전자기기의 박막의 형성에 사용되고 있다.

이러한 티타늄(합금, 화합물을 포함)의 박막을 형성하는 경우에 주의를 요하는 것은 그 자체가 극히 높은 순도를 필요로 한다는 것이다.

반도체 장치 등에 사용되는 박막층은 한층 더 얇고 또한 단소화(短小化) 되는 추세이며, 상호간의 거리가 매우 짧아져 집적 밀도가 향상되고 있기 때문에, 박막을 구성하는 물질 혹은 그 박막에 포함되는 불순물이 인접하는 박막에 확산된다는 문제가 발생한다. 이에 따라, 그 박막 및 인접 막의 구성 물질의 밸런스가 무너져, 원래 소유하고 있지 않으면 안 되는 막의 기능이 저하된다고 하는 큰 문제가 일어난다.

이러한 박막의 제조공정에 있어서 수 백도로 가열되는 경우가 있으며 또한 반도체 장치를 조입(組入:built in)한 전자기기의 사용 중에 있어서도 온도가 상승한다. 이러한 온도 상승은 상기 물질의 확산 속도를 더욱 상승시켜 확산에 의한 전자기기의 기능 저하에 큰 문제를 발생시키는 것이 된다.

또한, 일반적으로 상기의 티타늄 및 그 합금 막, 티타늄 실리사이드 막, 혹은 질화 티타늄 막 등은 스퍼터링이나 진공 증착 등의 물리적 증착법에 의해 형성할 수 있다. 이 중에서 가장 광범위하게 사용되고 있는 스퍼터링법에 관하여 설명한다. 이 스퍼터링법은 음극에 설치한 타겟트에, Ar + 등의 정(+)이온을 물리적으로 충돌시켜서 타겟트를 구성하는 금속원자를 그 충돌 에너지로 방출시키는 수법인 것이다.

질화물(窒化物)을 형성하기 위해서는 타겟트로서 티타늄 또는 그 합금(TiAl 합금 등)을 사용하여, 아르곤 가스와 질소의 혼합 가스 분위기 중에서 스퍼터링함으로써 형성할 수 있다.

이 스퍼터링 막의 형성시에 티타늄(합금·화합물을 포함) 타겟트에 불순물이 존재하면 스퍼터 챔버 내에 부유(浮遊)하는 조대화(粗大化)된 입자가 기판 위에 부착되어 박막회로를 단선(斷線)시키거나 단락(短絡)시켜서 박막의 돌기물의 원인이 되는 파티클의 발생량이 증가하고, 또한 가스성분인 산소, 수소, 질소 등이 존재하면 스퍼터링 중에 이 가스에 의한 돌발(突發)이 원인이 되는 이상방전을 일으키게 되어 균일한 막이 형성되지 않는다는 문제가 발생한다.

이러한 이유에서, 종래의 불순물이 되는 천이(遷移)금속, 고 융점 금속, 알칼리 금속, 알칼리 토류 금속 또는 그 외의 금속을 감소시킬 필요가 있는 것은 말할 것도 없으나, 이들의 원소를 가능한 한 감소시키더라도 상기와 같은 파티클의 발생이 있으므로 근본적인 해결책을 아직 찾아내지 못하고 있는 것이 현실이다.

또한, 티타늄 박막은 질화 티타늄 Ti-N 막을 형성하는 경우의 파티클 발생 방지용 페이스팅 층으로서 사용되는 경우가 있으나, 막이 단단하여 충분한 접착강도가 얻어지지 않아 성막 장치 내벽 또는 부품으로부터 벗겨져서 페이스팅 층으로서의 역할을 하지 못하고 파티클 발생 원인이 된다는 문제가 있었다.

본 발명은 스퍼터링용 티타늄 타겟트에 함유되어 있는 산소, 질소, 수소 등의 가스성분의 불순물 농도를 현저히 감소시켜서 성막(成膜)시의 파티클의 발생을 효과적으로 억제하는 것이 가능한 고품질의 스퍼터링용 티타늄 타겟트에 관한 것이다.

그리고, 본 명세서 중에 기재되어 있는 산소, 질소, 수소 등의 가스성분의 불순물 농도에 대하여서는 모두 mass % 로 표시한다.

제1도는 실시예의 적산 전력량과 파티클의 발생상황을 나타내는 상관도이다.

제2도는 비교예 1의 적산전력량과 파티클의 발생상황을 나타내는 상관도이다.

(발명의 개시)

본 발명은 상기의 여러 문제점의 해결, 특히 파티클이나 이상 방전 현상이 발생되지 않고, 오염물질이 적으며, 또한 연질(軟質)의 스퍼터링용 티타늄 타겟트를 제공하는 것을 목적으로 한 것이다.

본 발명은,

1) 스퍼터링용 티타늄 타겟트에 함유되는 산소가 20 ppm 이하이고, 이 타겟트의 평

균 결정입경이 20 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링용 티타늄 타겟트,

2) 스퍼터링용 티타늄 타겟트에 함유되는 산소, 질소, 수소 등의 가스성분의 불순

물 농도가 20 ppm 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링용 티타늄 타겟트,

3) 비카스 경도(Vs)가 120 이하인 것을 특징으로 하는 l) 또는 2)에 기재된 스퍼터

링용 티타늄 타겟트,

4) Na, K 등의 알칼리금속, 알칼리 토류 금속의 총 함유량이 5 ppm 이하, 중금속

및 경금속의 총 함유량이 10 ppm 이하, U, Th 등의 방사성 원소의 총 함유량이

1 ppb 이하인 것을 특징으로 하는 1) ∼ 3) 의 각각에 기재된 스퍼터링용 티타

늄 타겟트,

를 제공한다.

(발명의 실시의 형태)

본 발명의 스퍼터링용 티타늄 타겟트는 이 타겟트에 함유되는 산소가 20 ppm 이하이고, 또한 이 타겟트의 최대 결정입경이 20 ㎛ 이하이다. 함유되는 산소가 20 ppm 을 초과하여 이 타겟트의 최대 결정입경이 20 ㎛ 를 초과하면 후술하는 바와 같이 스퍼터링이 진행됨과 동시에 차츰 파티클의 발생이 증대하게 된다.

종래는 산소함유량을 감소시키면 결정 입경이 조대화되는 경향이 있기 때문에 쌍방을 엄밀히 조정하는 것이 되어지지 않았다. 그러나, 본 발명에 있어서 이와 같이 산소함유량의 감소와 결정 입경의 조대화 방지가 파티클 발생 방지에 특히 유효하다는 것을 알아내었다.

또한, 티타늄 타겟트에 존재하는 산소 이외의 질소, 수소 등의 가스 성분도 산소와 같은 거동(擧動)을 나타내기 때문에, 산소, 질소, 수소 등의 가스 성분의 불순물 농도의 총량이 20 ppm 이하인 것이 바람직하다.

또한, 티타늄 타겟트의 산소, 질소, 수소 등의 가스 성분의 불순물 농도가 20 ppm 이하인 경우에는 비카스 경도(Vs)가 120 이하로서 연질의 막을 형성시킬 수 있다. 이로 인하여 통상의 고순도 티타늄 타겟트의 비카스 경도(Vs)는 150 으로서 현저한 경도의 저하가 나타났다.

고순도 티타늄을 제조하기 위해서는 용융염 전해에서, 사용되는 염을 충분히 건조하여야 하며(진공건조 탈수, 온도 300 ℃ 이상), 또한 원료 등은 건조 분위기 중에서 보관하여야 한다.

또한, 용융염 전해에 있어서의 분위기도 불활성 분위기로 하여 외기의 유입이 없도록 한다. 가능하면, 전석(電析) Ti를 취출(取出)한다든지 할 때의 밸브의 개폐시에 대기의 혼입이 염려되기 때문에 될 수 있는 한 습도를 30 % 이하의 분위기에서 작업을 실시한다.

그리고, 전해시에는 초기 캐소드 전류밀도를 저(低)전류 밀도인 0.6 A/㎠ 이하로 하여 행한다. 이렇게 하여 산소 20 ppm 이하의 전석 Ti를 얻을 수 있다.

전해온도는 600 ∼ 800 ℃ 로 한다. 600 ℃ 미만에서는 전석 Ti가 스폰지상이 되어 산소가 증대한다. 또한 800 ℃를 초과하면 도가니 재질 등의 열화(劣化),염(鹽)의 증발이 많아져서 생산성이 악화된다.

또한, 원료로부터 얻어진 전석 Ti는 80 % (수율) 이하가 바람직하다. 그 이상에서는 산소 등의 불순물의 증대를 초래한다.

이와 같이 하여 얻어진 전석 Ti를 순수(純水) 세정하여 (산 세정은 표면이 산화하기 때문에 바람직하지 못하다), 건조 후 진공 중 또는 불활성 분위기 중에 서 보관하고 그 후 건조분위기에서 프레스하여 이것을 다시 EB(전자 비임) 용해한다. 이렇게 함으로써 EB 용해시의 산소증대를 그다지 초래하지 않고 20 ppm 이하로 억제할 수 있다.

다음에, 이와 같이 엄밀한 성분 콘트롤을 행한 산소농도 20 ppm 이하의 EB 용해 잉고트에 대하여, 이 잉고트의 불균일하고 조대화된 주조 조직을 파괴하여 균일 미세화 하기 위해서, 동적(動的)인 재결정화가 일어나는 700 ℃ 이상, 바람직하게는 800 ∼ 950 ℃ 에서 열간 단조 또는 열간 압출 등의 열간 소성 가공을 실행하여 빌렛트(billet)를 제작한다.

이와 같이 하여 얻어진 빌렛트에 대하여 냉간 단조 또는 냉간 압출 등의 냉간 소성 변형을 반복 실행하여 고응력을 빌렛트에 부여함에 의해서 최종적으로 타겟트의 결정조직을 20 ㎛ 이하의 균일한 미세 조직으로 한다.

다음에, 이 빌렛트를 절단하여 타겟트 체적에 상당하는 프리폼(preform)을 제작한다. 이 프리폼에 다시 냉간 단조 또는 냉간 압출 등의 냉간 소성(塑性) 가공을 행하여 고응력을 부여하여 원판 형상 등의 타겟트로 가공한다.

또한, 이와 같이 고응력을 축적하고 있는 가공조직을 가지는 타겟트를 유동상로(床爐) 등을 이용하여 급속 승온시켜, 400 ∼ 500 ℃ 에서 단시간의 열처리를 행한다. 이렇게 함으로써 20 ㎛ 이하의 미세한 재결정 조직을 가지는 타겟트를 얻을 수 있다.

다음에 본 발명의 실시예에 관하여 설명한다. 또한 본 실시예는 어디까지나 일례이고 이 예에 제한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 기술사상의 범위에 포함되는 실시예 이외의 태양 혹은 변형을 모두 포함하는 것이다.

고순도 티타늄의 제조시에는 우선 전해 욕(浴)으로서 염화 나트륨(NaCl)-염화 칼륨(KCl) 욕의 염화물 욕을 사용하였다.

이 전해 욕은 사용에 앞서서, 500 ℃ 에서 20 hr 동안 충분히 진공 건조 탈수를 행하였다. 전해조 및 그 주변기기에는 내식성이 풍부한 니켈을 사용하여 불순물의 혼입 및 오염방지를 꾀하였다.

전해온도 740 ℃, 캐소드 초기 전류밀도 0.3 A/㎠, Ar 분위기 하에서 전해하였다.

이렇게 하여 얻은 전석 Ti를 순수 세정하여, 건조 탈수 후에 습도 10 % 이하의 분위기에서 프레스하였다.

그 후에 전자 비임 용해한다. 용융염 전해에 의해서 알칼리 금속원소는 증가하지만, 이 전자 비임 용해에 의해 크게 감소시킬 수 있기 때문에 특히 문제가 되는 일은 없다. 또한 이렇게 함으로써 수소 등의 가스성분의 불순물을 대폭 감소시킬 수 있다. 이 공정에서 산소의 상승을 크게 억제할 필요가 있으므로 높은 진공하에서 실시한다.

방사성 원소의 U, Th는 전해시에 욕중(浴中)에 농축되기 때문에, 전해 석출 티타늄의 불순물로서는 더욱 감소된다. 다음에, EB 용해 잉고트를 단조, 압연하여 급속 열처리를 400∼500 ℃ 에서 행하였다.

상기 공정의 엄밀한 성분 콘트롤 등에 의해 산소의 농도를 20 ppm 이하로 하고, 또 재료의 평균결정 입경을 20 ㎛ 이하로 하였다. 이것을 타겟트 형상으로 가공한 후 실제 생산기(生産機)를 사용하여 스퍼터링하여 그 적산전력량(Accumlated Power) 과 파티클의 발생상황을 관찰하였다.

그 결과를 제1도에 나타낸다. 파티클은 8 인치 웨이퍼 상의 0.3 ㎛ 이상의 것을 검출하여 계산하였다.

스퍼터링 초기의 단계로부터 적산전력량 400 kWh 에 이를 때까지 파티클의 발생이 약간 증가하지만, 파티클의 발생이 낮게 억제되어 거의 변하지 않은 상태에 있음을 알 수 있다. 산소농도와 결정입경의 쌍방을 콘트롤함으로써 파티클의 발생을 효과적으로 억제할 수 있었다.

비교예 1

다음에, 산소의 함유량이 200 ppm 이고, 타겟트의 최대 결정입경이 1OO ㎛인 스퍼터링 타겟트를 사용하여, 상기와 동일한 실제 생산기를 사용하여 스퍼터링하고 그 적산전력량과 파티클의 발생 상황을 관찰하였다. 그 결과를 제2도에 나타낸다.

스퍼터링 초기의 단계에서부터 적산전력량 150 kWh 에 이를 때까지는 비교적 파티클은 낮게 억제되어 있으나 수개소에서 돌발적인 파티클 발생이 관찰되었다.

그 후 250 kWh 에 이를 때까지 파티클의 발생이 급속하게 증대하고 또한 불안정하게 되었다.

비교예 2

산소의 함유량이 30 ppm 이고, 타겟트의 최대 결정입경이 15 ㎛ 인 스퍼터링타겟트를 사용하여, 실시예 1 과 동일한 실제 생산기를 사용하여 스퍼터링하고 그 적산전력량과 파티클의 발생상황을 관찰하였다.

스퍼터링 초기의 단계에서부터 적산전력량 150 kWh 에 이를 때까지는 파티클은 낮게 억제되어 있으며 돌발적인 파티클 발생도 관찰되지 않았다. 그 후 300 kWh 부근에서 파티클이 서서히 증대하여 일반적인 파티클의 상한치인 0.3 ㎛ 이상의 파티클 30개를 300 kWh 시점에서 초과하였다.

비교예 3

산소의 함유량이 1O ppm 이고, 타겟트의 최대결정 입경이 1OO ㎛ 인 스퍼터링 타겟트를 사용하여 실시예 1과 동일한 실제 생산기를 사용하여 스퍼터링하고 그적산전력량과 파티클의 발생상황을 관찰하였다.

스퍼터링 초기에서 적산전력량 250 kWh 에 이를 때까지는 파티클은 낮게 억제되어 있었으나 돌발적인 파티클 발생이 도중에 수개소 관찰되었다. 그 후 250 kWh 부근에서 돌발적인 파티클이 발생한 후 파티클은 서서히 증대하여 일반적인 파티클의 상한치인 0.3 ㎛ 이상의 파티클 30개를 300 kWh 시점에서 초과하였다.

이와 같이, 산소의 증가와 결정의 조대화에 의해 현저한 파티클의 발생현상이 보여졌다. 특히, 결정 입경이 커지면 스퍼터링 중에 조대한 티타늄 입자가 원인이 되어 파티클의 발생이 많이 관찰되었다.

산소, 질소, 수소 등의 가스성분의 불순물 농도를 현저히 감소시키고, 또한 최대 결정입경이 20 ㎛ 이하인 고순도 티타늄 타겟트를 사용하여 스퍼터링함으로써 스퍼터링 중 파티클의 발생 개수를 현저히 감소시킬 수 있다고 하는 뛰어난 특징을 가지고 있으며, 전자기기 등의 박막의 형성에 유용한 스퍼터링용 티타늄 타겟트를 제공한다.

Claims (4)

1. 스퍼터링용 티타늄 타겟트에 함유되는 산소가 20 ppm 이하이고, 이 타겟트의 평균결정 입경이 20 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링용 티타늄 타겟트
2. 스퍼터링용 티타늄 타겟트에 함유되는 산소, 질소, 수소 등의 가스성분의 불순물 농도가 20 ppm 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링용 티타늄 타겟트
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 비카스 경도(Vs)가 120 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링용 티타늄 타겟트
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, Na, K 등의 알칼리 금속, 알칼리 토류 금속의 총 함유량이 5 ppm 이하, 중금속 및 경금속의 총 함유량이 10 ppm 이하, U, Th 등의 방사성 원소의 총 함유량이 1 ppb 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링용 티타늄 타겟트