JP2011138989A - 高音質抵抗膜及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＴａＮ膜の単層膜を使用して、ＴＣＲ値が小さく、シート抵抗が大きく、実用上必要な膜厚を確保できる高抵抗の高音質抵抗膜及びその製造方法を提供する。
【解決手段】高音質抵抗膜は、抵抗値温度係数ＴＣＲが−５０乃至＋５０ｐｐｍ／℃であり、シート抵抗が１００Ω／□以上である窒化タンタル膜２の単層膜であり、この窒化タンタル膜２は、半導体装置の製造工程で常温から３５０℃までの温度で、窒素ガス分圧比を３乃至１０％として、２．５ｋＷ以下の低パワーで、スパッタリングにより成膜されたものである。前記スパッタリング時の基板温度をＴとし、窒素ガス分圧比をｍとしたとき、前記基板温度Ｔ及び窒素ガス分圧比ｍは、（１／１６５）Ｔ＋（９５／３３）≦ｍ≦（１／６６）Ｔ＋（１５５／３３）を満たす。
【選択図】図２

Description

本発明は、オーディオアンプ等の音響製品に使用される抵抗膜であって、シート抵抗が高く良好なオーディオ特性を有する抵抗膜及びその製造方法に関し、特に、ＴＣＲ特性が優れたＴａＮ膜からなる高音質抵抗膜及びその製造方法に関する。

オーディオアンプ等の音響製品において、特に、その出力段の回路に使用される抵抗体の性能が、音質に影響を与えていることは公知である。従来、このアンプの出力段の半導体集積回路には、ポリシリコンの薄膜抵抗体が使用されている。そして、この音質に影響を与える抵抗体の性能としては、ＴＣＲ値がある。即ち、ＴＣＲ値は抵抗値温度係数であり、温度変化によりどの程度抵抗値が変化するかという程度を示す特性であり、このＴＣＲ値が小さい方が（０に近い方が）、抵抗値が温度により変動せず、高音質が得られる。従来のポリシリコン抵抗体は、２５乃至１２５℃程度の温度範囲で、ＴＣＲ値が±１００ｐｐｍ／℃程度であり、更に一層の音質改善のために、ＴＣＲ値を±５０ｐｐｍ／℃程度に小さくすることが望まれている。

このＴＣＲ値の調整は、従来、抵抗膜をスパッタリングにより形成する際の原料ガスのＮ_２分圧比を調節することにより行っている。また、正のＴＣＲ特性を有する薄膜抵抗体と、負のＴＣＲ特性を有する薄膜抵抗体とを積層することにより、全体で、０に近い良好なＴＣＲ特性を得ることも提案されている。

ＴＣＲ値を小さくすることを目的とした窒化タンタル（ＴａＮ）薄膜抵抗体としては、特許文献１に開示されたものがある。この従来の窒化タンタル薄膜抵抗体は、窒化タンタル薄膜の上面に、Ｔｉからなる中間膜を介してＡｕからなる電極膜を形成し、中間膜と電極膜との合成抵抗温度係数を第１の抵抗温度係数とし、窒化タンタル薄膜の抵抗温度係数を第２の抵抗温度係数としたとき、第１と第２の温度係数の和を−１０乃至０ｐｐｍ／℃としたものである。

特開２００４−３４２７０５号公報

しかしながら、従来のポリシリコン薄膜抵抗体は、その減圧ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition：化学気相成長法)による成膜時の成膜温度が約６００℃程度と高く、Ａｌ等の配線用金属材料が溶けてしまうことを回避するため、これらの金属配線の形成後にポリシリコン薄膜抵抗体を形成することはできない。従って、このポリシリコン薄膜抵抗体は、金属配線よりも下層に形成する必要があり、その形成位置はＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon：選択酸化法）酸化膜上に制約される。このため、薄膜抵抗体にポリシリコンを使用すると、トランジスタ領域を避けてＬＯＣＯＳ酸化膜直上に抵抗体を配置するスペースを確保する必要が生じ、チップ面積の縮小が困難である。

また、前述の如く、ポリシリコン薄膜抵抗体は、必ずしも、ＴＣＲ値が十分に低いものではなかった。このため、オーディオアンプ出力段の半導体集積回路にポリシリコン薄膜抵抗体を使用しても、優れた音質を得ることは困難である。

一方、ＴａＮ薄膜抵抗体は、スパッタリングによる成膜時の成膜温度が約４００℃以下と低温であるため、金属配線を形成した後にこのＴａＮ薄膜抵抗体を形成しても、金属配線の溶融は生じない。よって、ＴａＮ薄膜抵抗体は、金属配線の上層に形成することができ、金属配線を形成する層間絶縁膜の上に、積み上げることができる。特に、上部配線層側にいくほど、面積占有率が低下するので、ＴａＮ抵抗体を形成するスペースを確保しやすくなるため、チップ面積を縮小することができるという利点がある。

しかしながら、特許文献１に記載のＴａＮ薄膜抵抗体は、複層（Ｔｉ膜＋Ａｕ膜）金属膜との積層膜として、ＴａＮ膜を形成し、複層金属膜のＴＣＲ値とＴａＮ膜のＴＣＲ値との和としての全体のＴＣＲ値を０に近づけている。このような金属膜との積層膜では、金属膜の抵抗値が極めて小さいために抵抗値の制御が困難であり、また、Ｔｉ膜及びＡｕ膜の形成コストが高いと共に、複層金属膜及びＴａＮ膜のパターニング工程が複雑であるという問題点がある。更に、このような異なる金属膜の積層による抵抗体は、そのオーディオ（サウンド）特性は単層（又は、同一金属の抵抗体）によるオーディオサウンド特性より劣るものである。

また、従来のＴａＮ膜は、抵抗率が低く、１００乃至３００Ωのシート抵抗を得るためには、ＴａＮ膜を２００乃至３００Åという極めて薄い膜厚に形成する必要がある。このような薄い抵抗膜は、成膜が困難である。また、抵抗膜上に層間絶縁膜を形成し、この層間絶縁膜にビアホールを形成し、このビアホールにアルミニウム等の金属を埋め込んでビアを形成することにより、層間絶縁膜上に形成した配線と抵抗膜とを電気的に接続する際に、ビアホール形成時のエッチングにより、薄いＴａＮ膜が削られてしまい、抵抗膜として機能しなくなる虞がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、オーディオ信号処理回路に最適なＴａＮ膜の単層膜を使用して、ＴＣＲ値が小さく、シート抵抗が大きく、実用上必要な膜厚を確保できる高抵抗の高音質抵抗膜及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る高音質抵抗膜は、抵抗値温度係数ＴＣＲが−５０乃至＋５０ｐｐｍ／℃であり、シート抵抗が１００Ω／□以上である窒化タンタル膜の単層膜であり、この窒化タンタル膜は、半導体装置の製造工程で常温から３５０℃までの温度で、窒素分圧比を３乃至１０％として、２．５ｋＷ以下の低パワーで、スパッタリングにより成膜されたものであることを特徴とする。

本発明に係る高音質抵抗膜の製造方法は、半導体装置の製造工程において、層間絶縁膜の形成後、スパッタリングにより、基板温度を常温から３５０℃までの温度に設定し、反応ガス中の窒素ガス分圧比を３乃至１０％とし、スパッタリング時のパワーを２．５ｋＷ以下として、窒化タンタル膜を前記層間絶縁膜上に形成することを特徴とする。

この場合に，前記スパッタリング時の基板温度をＴとし、窒素ガス分圧比をｍとしたとき、前記基板温度Ｔ及び窒素ガス分圧比ｍは、（１／１６５）Ｔ＋（９５／３３）≦ｍ≦（１／６６）Ｔ＋（１５５／３３）を満たすように、決定することが好ましい。

本発明によれば、窒素ガス分圧比を３乃至１０％に調整すると共に、基板温度を常温から３５０℃の範囲に調整して、窒化タンタル（ＴａＮ）膜をスパッタリングにより形成することにより、ＴａＮ膜のＴＣＲを−５０乃至＋５０ｐｐｍ／℃に制御することができる。このとき、スパッタリング時のパワーを２．５ｋＷ以下とすることにより、ＴａＮ膜の堆積速度が遅くなり、これにより、高シート抵抗で高音質のＴａＮ膜を得ることができる。

本発明の実施形態に係る抵抗膜を示す断面図である。 基板温度Ｔと窒素分圧比との相関関係を示すグラフ図である。 本発明の他の実施形態に係る抵抗膜を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。本発明は、ＴａＮ（窒化タンタル）膜単層膜を抵抗膜とするが、このＴａＮ膜をスパッタリング法により形成し、スパッタリング時のパワーを２．５ｋＷ以下と低パワーにすることにより、得られるＴａＮ膜のシート抵抗を１００Ω／□以上と高くし、このスパッタリング時の窒素ガス分圧比及びスパッタリング温度（基板温度）を調整することにより、ＴａＮ膜のＴＣＲ値を０に近いものに制御する。

図１は、本発明の実施形態に係る高音質抵抗膜が形成された半導体装置を示す断面図である。この半導体装置は、先ず、シリコン基板等の基板１に種々のトランジスタ等を作り込む。このとき、基板１の表面上に、第１層間絶縁膜１０が形成され、この第１層間絶縁膜１０上に、アルミニウム又は銅等により第１配線層２１が形成される。この第１配線層２１は、第１層間絶縁膜１０上にアルミニウム又は銅の層を通常の膜形成技術により形成した後、この層を、通常のレジストを使用したパターニング方法により所望の配線パターンにパターニングすることにより形成される。そして、これらの第１配線層２１を含む第１層間絶縁膜１０上に第２層間絶縁膜１１を形成し、この第２層間絶縁膜１１上に、第２配線層２２を形成する。そして、第２配線層２２上を含む全面に第３層間絶縁膜１２を形成し、この第３層間絶縁膜１２上に第３配線層２３を形成し、第３配線層２３を含む第３層間絶縁膜１２上に第４層間絶縁膜１３を形成する。そして、この第４層間絶縁膜１３上に第４配線層２４ｃを形成する。各配線層は各層間絶縁膜に形成したビアホール内に導電物質を埋め込むことにより形成したビアにより接続される。例えば、第４配線層２４ｃと第２配線層２２とはビア４により接続される。即ち、第３層間絶縁膜１２及び第４層間絶縁膜１３の形成工程において、夫々第３層間絶縁膜１２及び第４層間絶縁膜１３にこれらの膜を貫通するビアホールを、レジスト膜をマスクとしてウエットエッチング又はドライエッチングにより形成し、その後、アルミニウム等の金属材料をスパッタリングするか、又はＣＶＤ（化学的気相成長法）により堆積することにより、この金属材料をビアホール内に埋め込むことにより、ビア４を形成し、このビア４に接続されるように、第３層間絶縁膜１２及び第４層間絶縁膜１３上に、夫々配線２３及び配線２４ｃを形成する。

而して、本実施形態においては、第３層間絶縁膜１３を下層絶縁膜１３ａと上層絶縁膜１３ｂの２層に分けて形成し、下層絶縁膜１３ａを形成した後、上層絶縁膜１３ｂを形成する前に、下層絶縁膜１３ａ上に、窒化タンタル（ＴａＮ）膜２を所定の寸法及び形状になるように、パターン形成する。このＴａＮ膜２は、以下のようにして形成することができる。即ち、下層絶縁膜１３ａ上にＴａＮ膜２の形成予定領域が開口したレジストパターン（図示せず）を形成した後、このレジストパターンをマスクとし、Ｔａターゲットを使用して、Ａｒガスに窒素ガスを所定の分圧比で添加した反応ガスによりスパッタリングすることにより、ＴａＮを全面に堆積する。その後、レジストを除去することにより、レジスト上のＴａＮ膜２をリフトオフすることによって、ＴａＮ膜２を形成することができる。又は、以下の方法によって、ＴａＮ膜２を形成することもできる。下層絶縁膜１３ａ上の全面にＴａＮ膜を上記スパッタリングにより形成し、このＴａＮ膜上にレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクとして、前記ＴａＮ膜をエッチングする。この方法によっても、ＴａＮ膜２を形成することができる。この窒化タンタル膜２は、本実施形態の高抵抗抵抗膜になる。

このＴａＮ膜２の形成後、ＴａＮ膜２を含む下層絶縁膜１３ａの全面に上層絶縁膜１３ｂを形成し、上層絶縁膜１３ｂにＴａＮ膜２に到達する２個のビアホールを形成する。このビアホールは、ウエットエッチングにより形成することが好ましい。ウエットエッチングの場合は、ドライエッチングに比べて、オーバーエッチングによるビアホール底部のＴａＮ膜の削れを抑制することができる。これにより、加工マージンが向上し、ＴａＮ膜２のより一層の薄膜化による高抵抗化が可能となる。

そして、これらのビアホールにアルミニウム又は銅等の金属をスパッタリング又はＣＶＤにより形成し、ビア３ａ，３ｂを設ける。更に、上層絶縁膜１３ｂ上に、ビア３ａ，３ｂに接続されるようにして、夫々、第４配線層２４ａ，２４ｂを形成する。この第４配線層２４ａ，２４ｂにより、ＴａＮ膜２は、アンプの出力段の回路の中に、出力電流が流れる通り道に設けられた薄膜抵抗体として接続される。

本実施形態においては、高音質抵抗体としてのＴａＮ膜２を、スパッタリングにより形成し、このスパッタリング時の基板温度と、窒素ガス分圧比とを、調節することにより、ＴａＮ膜２のＴＣＲを制御する。また、スパッタリング時のパワーを２．５ｋＷ以下とすることにより、ＴａＮ膜２のシート抵抗を１００Ω／□以上にする。

即ち、ＴａＮ膜２のスパッタリング時のパワーを２．５ｋＷ以下と低パワーにすることにより、ＴａＮ膜２の成膜速度を低下させ、形成されるＴａＮ膜２の膜質を、抵抗率ρが高いものに変え、膜厚ｔを厚くしても、シート抵抗Ｒｓが十分高いＴａＮ膜２を得る。即ち、スパッタリング時のパワーを低くすることにより、膜厚ｔが１０００Å以上であっても、シート抵抗Ｒｓが１００Ω／□以上の高抵抗である膜質を有するＴａＮ膜２を得ることができる。

しかしながら、抵抗率ρが高い膜質にすると、ＴＣＲもその絶対値が大きくなり、ＴＣＲが負の場合は、より負の側に、ＴＣＲが正の場合は、より正の側に、ＴＣＲがシフトする。そこで、以下のようにして、スパッタリング時の基板温度及び／又は窒素ガス分圧比を調節することにより、ＴＣＲを０に近い値、即ち、−５０乃至＋５０ｐｐｍ／℃に制御する。又は、以下のようにして、スパッタリング時の基板温度及び／又は窒素ガス分圧比を調節することにより、ＴＣＲを０に近い値、即ち、−５０乃至＋５０ｐｐｍ／℃に制御した後、スパッタリング時のパワーを低下させることにより、抵抗率ρ及びシート抵抗Ｒｓが高いＴａＮ膜２を得るようにしてもよい。このときのパワーの低下により、抵抗率ρが高くなり、ＴＣＲもその絶対値が大きくなるが、この場合は、予め、スパッタリング時の基板温度及び／又は窒素ガス分圧比の調整によりＴＣＲが小さい値になっているので、抵抗率が上昇しても、ＴＣＲは−５０乃至＋５０ｐｐｍ／℃の範囲内にとどまるようにすることができる。

次に、ＴＣＲの調整方法について説明する。ＴａＮ膜２を、基板温度を常温から３５０℃までの温度に設定し、窒素ガス分圧比を３乃至１０％、好ましくは、５乃至１０％、最適には７％に設定して、スパッタリングにより形成する。この温度条件範囲及び窒素ガス分圧比条件範囲の中で、ＴＣＲ値が−５０〜＋５０ｐｐｍ／℃になるように、基板温度及び窒素ガス分圧比を決める。

基板温度を上げると、得られたＴａＮ膜２のＴＣＲ値は、より正（＋）の方向に変化する。また、窒素ガス分圧比を上げると、得られたＴａＮ膜２のＴＣＲ値は、より負（−）の方向に変化する。この基板温度と窒素ガス分圧比とを、ＴＣＲ値が０に近い値になるように、バランスをとって決める。

この場合に、基板温度が低い場合は，窒素ガス分圧比を比較的低く、基板温度が高い場合は、窒素ガス分圧比を比較的高くすることが好ましい。即ち、基板温度が常温（２０℃）の場合は、窒素ガス分圧比は３乃至５％であり、基板温度が３５０℃の場合は、窒素ガス分圧比は５乃至１０％とすることが好ましい。この常温から３５０℃までの温度範囲の途中においては、窒素ガス分圧比の上限値及び下限値は温度に対して比例配分すればよい。即ち、基板温度をＴ、このときの好ましい窒素ガス分圧比の下限値をｍ１、上限値をｍ２とすると、下記数式１，２が成立する。

なお、ＴａＮ膜の成膜条件は、基板温度は常温から３５０℃の範囲であるが、スパッタリングガスの圧力は、例えば５ｍＴｏｒｒである。このスパッタリングガスの流量は、例えばＡｒガスが６７ｓｃｃｍ、Ｎ_２ガスが８ｓｃｃｍ（Ｎ_２ガス分圧比が１０％）である。供給パワーは、例えば０．５〜３ｋＷである。

これらの数式から、下記数式３，４が成立する。

図２は、横軸に基板温度Ｔをとり、縦軸に窒素ガス分圧比をとって、窒素ガス分圧比の上限ｍ２及び下限ｍ１と、基板温度Ｔとの関係（数式３，４）を示すグラフ図である。基板温度Ｔに応じて、ｍ１及びｍ２を求め、ｍ１〜ｍ２の範囲で、窒素ガス分圧比を選択して、ＴＣＲが−５０〜＋５０ｐｐｍ／℃の範囲に入るように窒素ガス分圧比を調節するか、又は、図２の線分ｍ２と線分ｍ１との間の領域であって基板温度が２０乃至３５０℃の間の領域において、窒素ガス分圧比を選択し、その上で、基板温度Ｔを、ＴＣＲが−５０〜＋５０ｐｐｍ／℃の範囲に入るように調節すればよい。このとき、前述の如く、基板温度Ｔを上げるとＴＣＲはより正（＋）の方向に変化し、基板温度を下げるとＴＣＲはより負（−）の方向に変化するので、この基準に応じて、ＴＣＲ値を−５０〜＋５０ｐｐｍ／℃の範囲に入るように制御することができる。また、例えば、一旦、一方の因子である窒素ガス分圧比又は基板温度を決め、その後、上述のようにして、他方の因子である夫々基板温度又は窒素ガス分圧比を変更して、ＴＣＲ値を調整し、更に、前記一方の因子である窒素ガス分圧比又は基板温度を変更する等、２段階に限らず、３段階以上に分けて、因子を変更することにより、ＴＣＲ値を調整してもよい。

結局、スパッタリングにおいて、基板温度がＴ、窒素ガス分圧比がｍであるとしたとき、ｍはｍ１≦ｍ≦ｍ２であるべきであるから、数式３，４より、ｍは下記数式５を満たすことが好ましい。

このようにして、スパッタリングによる成膜時の成膜条件である基板温度Ｔ及び窒素ガス分圧比ｍを、基板温度Ｔ及び窒素ガス分圧比ｍが上記数式５を満たす範囲内で、基板温度を上げるとＴＣＲが正（＋）の方向に変化し、窒素ガス分圧比を上げるとＴＣＲが負（−）の方向に変化するという基準に基づいて適宜調整することにより、ＴａＮ膜２のＴＣＲ値を所望の範囲−５０〜＋５０ｐｐｍ／℃に制御することができる。よって、本発明の実施形態においては、薄膜抵抗体としてのＴａＮ膜２の抵抗値が高いと共に、このときの抵抗値は、温度の変化に拘わらず、ほぼ一定である。従って、温度変化に起因するオーディオアンプ出力段の出力電流の変化は少ない。なお、この効果は、スパッタリング温度が３５０℃を超えて、４００℃までの温度範囲において、得ることができる。よって、本発明においては、ＴａＮ膜のスパッタリング温度は、常温から４００℃とする。

そして、本発明においては、ＴａＮ膜のスパッタリング温度が高々４００℃であるから、アルミニウム配線等を溶融させてしまうことがないため、抵抗体としてのＴａＮ膜２を、半導体装置製造工程の比較的後期に形成することができ、層間絶縁膜の上層に配置することができる。このため、アルミニウム配線層の上に、ＴａＮ膜抵抗膜を配置することができ、チップ面積の縮小化が可能である。また、本発明のＴａＮ膜はスパッタリング温度が低くてもよいので、抵抗体単体ではなく、ＬＳＩ（大規模集積回路）の中に組み込むことが容易であり、これにより、ＴＣＲ値が小さい抵抗を具備する回路を容易に得ることができる。

また、このＴａＮ膜２は、上述の実施形態のように、最上層の層間絶縁膜（第４層間絶縁膜１３）内に形成する場合に限らず、図３に示すように、第１配線層２１の下層の第１層間絶縁膜１０内に形成しても良い。この場合に、このＴａＮ膜２にビア３ａ、３ｂを介して接続される配線層２４ａ、２４ｂは第１配線層２１と同層に形成される。このように、このＴａＮ膜２を配置すべき層間絶縁膜は、任意であり、最上層に限らないが、配置位置の選択の余裕度からすると、最上層の層間絶縁膜内が有利である。

本発明の高音質抵抗膜は、ＴａＮ膜の単層で、ＴＣＲが極めて小さいので、使用時の温度変化に拘わらず抵抗値変化が抑制され、しかも抵抗値が高いので、高音質抵抗膜を必要とする半導体集積回路の製造に有益である。また、本発明の高音質抵抗膜は、その形成のためのスパッタリング温度が低いので、半導体集積回路の製造工程の後期に、容易に組み込むことができるため、ＴＣＲ値が小さい高音質抵抗膜を備えた半導体集積回路のチップ面積の縮小に有益である。

１：シリコン基板、２：窒化タンタル（ＴａＮ）膜、３ａ、３ｂ、４：ビア、１０：第１層間絶縁膜、１１：第２層間絶縁膜、１２：第３層間絶縁膜、１３：第４層間絶縁膜、１３ａ：下層絶縁膜、１３ｂ：上層絶縁膜、２１：第１配線層、２２：第２配線層、２３：第３配線層、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ：第４配線層

Claims (4)

1. 抵抗値温度係数ＴＣＲが−５０乃至＋５０ｐｐｍ／℃であり、シート抵抗が１００Ω／□以上である窒化タンタル膜の単層膜であり、この窒化タンタル膜は、半導体装置の製造工程で常温から４００℃までの温度で、窒素分圧比を３乃至１０％として、２．５ｋＷ以下のパワーで、スパッタリングにより成膜されたものであることを特徴とする高音質抵抗膜。
2. 前記窒化タンタル膜は、厚さが１０００Å以上であることを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の高音質抵抗膜。
3. 半導体装置の製造工程において、層間絶縁膜の形成後、スパッタリングにより、基板温度を常温から３５０℃までの温度に設定し、反応ガス中の窒素ガス分圧比を３乃至１０％とし、スパッタリング時のパワーを２．５ｋＷ以下として、窒化タンタル膜を前記層間絶縁膜上に形成することを特徴とする高音質抵抗膜の製造方法。
4. 前記スパッタリング時の基板温度をＴとし、窒素ガス分圧比をｍとしたとき、前記基板温度Ｔ及び窒素ガス分圧比ｍは、（１／１６５）Ｔ＋（９５／３３）≦ｍ≦（１／６６）Ｔ＋（１５５／３３）を満たすように、決定することを特徴とする請求項３に記載の高音質抵抗膜の製造方法。

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