JP2954407B2

JP2954407B2 - 薄膜形成方法

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Publication number: JP2954407B2
Application number: JP29268491A
Authority: JP
Inventors: 正倫寺門; 裕斉藤; 新治佐々木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-11-30
Filing date: 1991-11-08
Publication date: 1999-09-27
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Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜の形成方法及び薄
膜素子に係り、特に半導体装置の配線膜をスパッタリン
グにより形成するのに好適な薄膜形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】高融点金属の薄膜形成に関しては、例え
ば、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス３６
（１９６５年）第２３７頁から第２４２頁（Ｊ．Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．３６（１９６５），ｐｐ２３７−２４
２）において、タンタル（以下Ｔａと記す）のスパッタ
リングが紹介されており、膜の抵抗値を低減するために
はバイアススパッタが有効であることが提示されてい
る。また、アプライド・サーフェス・サイエンス３８
（１９８９年）第２９５頁から第３０３頁（Ａｐｐｌ．
Ｓｕｒｆ．Ｓｃｉ．３８（１９８９），ｐｐ２９５−３
０３）には、タングステン（以下Ｗと記す）のスパッタ
リングが紹介されており、ターゲット電力を小さくと
り、負のバイアス電圧を印加して成膜すると、膜の応力
を小さく押さえられることが報告されている。

【０００３】一方、半導体装置の配線膜の配線寿命は、
配線に電流が流れることによって原子が移動する現象
(エレクトロマイグレーション)及び配線に応力がかかる
ことによって原子が移動する現象(ストレスマイグレー
ション)による配線の断線に支配されていると考えられ
ている。従来、半導体装置の配線膜形成に関しては、例
えば特公昭55-31619において配線寿命の向上を目的とし
た積層配線構造が提案されており、該構造により配線を
構成する原子の移動が抑制され配線寿命の向上が実現さ
れるとされている。さらに特開昭60-206045においては
配線膜の結晶粒を制御することでエレクトロマイグレー
ション耐性が向上し、配線寿命向上に寄与すると述べら
れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記ジャーナル・オブ
・アプライド・フィジックス３６（１９６５年）第２３
７頁から第２４２頁（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３６
（１９６５），ｐｐ２３７−２４２）では、Ｔａにおい
てバイアススパッタリングが膜の抵抗値を低減するため
に有効であることが提示されているが、単にバイアスを
印加しただけでは膜の応力が大きくなってしまい、低応
力で、かつ、低抵抗の薄膜を得ることは難しい。

【０００５】また、アプライド・サーフェス・サイエン
ス３８（１９８９年）第２９５頁から第３０３頁（Ａｐ
ｐｌ．Ｓｕｒｆ．Ｓｃｉ．３８（１９８９），ｐｐ２９
５−３０３）では、Ｗのバイアススパッタリングにおい
て、ターゲット電力を小さくして成膜すると、膜の応力
を小さく押さえられると述べているが、ターゲット電力
を小さくすると成膜速度が低下するほか、これも上述し
た如く、単にバイアスを印加しただけでは、低応力で、
かつ、低抵抗の薄膜を得ることは難しい。

【０００６】更に、前記特公昭55-31619においては、ア
ルミニウム(以下Ａｌと記す)と遷移金属との化合物層と
Ａｌの積層配線を用いてエレクトロマイグレーション耐
性を有する配線を提供できると述べており、Ａｌと遷移
金属との化合物層を迅速に形成するためにＡｌの結晶粒
の微細化が必要であるとしているが、現在では結晶粒径
が微細であるとエレクトロマイグレーション耐性が劣る
と考えられており、この方法では電極配線の幅が１μｍ
より小さいいわゆるサブミクロン配線においては実用的
な配線の信頼性を得ることは難しい。

【０００７】また、特開昭60-206045においては半導体
装置の電極配線に関し、それを構成するＡｌ合金の結晶
粒を制御することにより断線不良を低減できると述べて
いるが、電極配線の幅が１μｍより小さいいわゆるサブ
ミクロン配線においては、Ａｌ合金を単層で用いるかぎ
り、結晶粒径を制御しても実用的な配線の信頼性を得る
ことは難しい。

【０００８】そこで、本発明の第一の目的は、上記従来
技術の問題点に鑑み、高融点材料の低抵抗かつ低応力の
薄膜を形成するスパッタリング方法を提供することにあ
る。

【０００９】本発明の第二の目的は、半導体装置におい
てエレクトロマイグレーションおよび、ストレスマイグ
レーション耐性の優れた信頼性の高い配線膜を得るため
に、高融点金属の薄膜と低融点金属の薄膜を重ねあわせ
た積層配線膜を形成する方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明における第一の目
的を達成するために、本発明の第一の手段においては、
成膜圧力Ｐが３Ｐa 以上、ターゲットと基板との間の距
離ＴＳが６０mm以上、かつ、基板バイアス電圧Ｖが−７
５Ｖから−１５０Ｖの間であリ、かつ、成膜圧力Ｐ，タ
ーゲットと基板との間の距離ＴＳ，及び、バイアス電圧
Ｖとの間に１≦１.３×１０⁵・Ｐ・ＴＳ／Ｖ²≦５［Ｐａ・ｍ・Ｖ~²］の関係が成り立つように前記Ｐ，ＴＳ，Ｖの値を設定す
るような、高融点金属の薄膜形成方法を提供する。

【００１１】更に、本発明の第二の目的を達成するため
に、本発明の第二の手段においては、Ｗを主成分とした
高融点金属の第一の薄膜の形成においては、成膜圧力が
３Ｐa 以上、ターゲットと基板との間の距離が６０mm以
上、かつ、基板バイアス電圧が−７５Ｖから−１５０Ｖ
の間である第一の成膜条件を設定することで高エネルギ
粒子が基板に入射するのを防止し、低融点金属を主成分
とする導電性材料の第二の薄膜の形成においては、基板
バイアス電圧を−４０Ｖから−１００Ｖの間に設定する
ことで前記第二の薄膜の結晶成長を促進する成膜方法で
あって、かつ、前記第一の薄膜の形成と前記第二の薄膜
形成との間は、前記第一の薄膜を形成した基板を１.０
×１０~⁴Ｐa 以下の高真空中に保持することで前記第一
の薄膜の表面を清浄な状態に維持しつつ前記第二の薄膜
を形成する。

【００１２】

【作用】前記本発明の第一の手段における作用を説明す
る。

【００１３】前記第一の手段に示した条件に設定するこ
とにより、基板に入射する高エネルギ粒子を減少させる
ことが出来る。

【００１４】即ち、ターゲットと基板との間隔を広げる
ことで、ターゲット近傍の比較的大きな電界で加速され
てターゲットに衝突しその一部が弾性衝突的にターゲッ
ト表面から反射される、大きな運動エネルギを持ったい
わゆる反跳原子の基板への入射量を減少させ、更に、成
膜時の動作ガス圧力を高くすることで、ガス分子の衝突
頻度を増加させて前記反跳原子及びプラズマ中の高エネ
ルギイオンの運動エネルギを減少させる。

【００１５】この結果、基板上に形成される薄膜は、高
エネルギ粒子によるダメ−ジを受けることが少なくな
り、更に、基板に比較的弱いバイアスを印加すること
で、基板上に成長する薄膜の表面は比較的小さい運動エ
ネルギのイオンで衝撃されて表面の原子の拡散が助長さ
れながら膜が成長するので、膜の比抵抗はバルクの値に
近づいて小さくなり、かつ、応力の極端な上昇も押さえ
られる。

【００１６】これにより、比抵抗が小さく、かつ、応力
も小さい高融点金属の薄膜が安定して得られるようにな
る。

【００１７】次に、前記本発明の第二の手段による積層
薄膜の形成について述べる。

【００１８】まず、第一のＷを主成分とする高融点金属
のターゲットのスパッタにおいては、前記した本発明の
第二の手段における第一の成膜条件を設定することによ
り、上述した本発明の第一の手段による高融点金属薄膜
の形成の場合と同様に、基板に入射する高エネルギ粒子
を減少させることができ、比抵抗が小さく、かつ、応力
も小さい高融点金属の薄膜が安定して得られる。

【００１９】次に、第二の低融点金属を主成分とする導
電性材料のターゲットのスパッタを開始するまでの間、
該Ｗを主成分とする高融点金属薄膜を形成した基板を
１.０×１０~⁴Ｐa 以下の高真空中に保持することによ
り、前記Ｗを主成分とする高融点金属薄膜の表面が酸化
膜等で覆われることなく清浄な面を維持した状態で、前
記第二の低融点金属を主成分とする導電性材料のターゲ
ットのスパッタが行なわれる。該スパッタにおいては、
前記基板に比較的弱いバイアス電圧を印加して比較的弱
いエネルギのイオンで前記基板の表面を衝撃することに
より、薄膜表面の原子の拡散を助長しながら薄膜を成長
させて結晶の成長を促進させることで、前記Ｗを主成分
とする高融点金属薄膜の上に比較的結晶粒径の大きな低
融点金属を主成分とする導電性材料の薄膜を積層形成す
る。

【００２０】このような積層構造の配線膜において、エ
レクトロマイグレーションやストレスマイグレーション
などに対する耐性は下地層である高融点金属膜が持ち、
抵抗値に対しては主に上層の導電性材料の薄膜が持ち低
抵抗化した下地層の高融点金属の薄膜も寄与する。

【００２１】これにより、抵抗値が小さくかつエレクト
ロマイグレーションやストレスマイグレーションに対す
る耐性が強い、配線寿命の長い半導体積層配線膜が得ら
れる。

【００２２】

【実施例】本発明における第一の手段の一実施例を図
１，図３，図４，図５および図６を用いて説明する。

【００２３】図１は、本発明の薄膜形成方法を実現する
ための典型的なマグネトロンスパッタリング装置の一実
施例を示す縦断面図である。

【００２４】図１において、１は真空容器、２は真空容
器１に設けられた開口部で絶縁物３を介して取り付けら
れたスパッタ電極４のターゲット５が真空容器１の内部
に面している。６は電磁石、７は電磁石６の電源、８は
アノード電極、９は真空容器１に設けられた開口部で基
板電極１０を取り付ける。１１はアースシールド、１２
は基板押さえで絶縁物１３及び１４を介してアースシー
ルド１１及び基板電極１０に支持されている。１５は基
板、１６は電磁石、１７は電磁石１６のカバー、１８は
電磁石１６の電源、２０は直流電源、２１は直流電源、
２２はガス導入手段、２３は真空排気手段である。

【００２５】以上の構成において、基板１５をセットし
た状態で真空容器１を真空排気手段２３により高真空に
排気した後、ガス導入手段２２からガス（例えばアルゴ
ンガス；Ａr）を導入して真空容器１の内部を所定の圧
力に維持する。ここで、電源７及び１８で電磁石６及び
１６をそれぞれ励磁する。次に、直流電源２０でスパッ
タ電極４に電力を印加してターゲット５の表面近傍でマ
グネトロン放電を発生させ、ターゲット５をスパッタす
る。このときターゲットの表面近傍には電磁石６及び１
６によりマグネトロン放電に適した磁界が形成されてい
る。

【００２６】上記マグネトロンスパッタを行なうとき、
同時に基板１５にも基板押さえ１２を介して直流電源２
１により電圧を印加していわゆるバイアススパッタを行
なう。

【００２７】このようなバイアススパッタ成膜におい
て、タングステン(Ｗ)からなるターゲットを用いた場合
のターゲットと基板との間の距離ＴＳおよび成膜圧力Ｐ
と基板１５に形成された膜の応力との関係は、図３に示
すようになる。図３において、(ａ）はＴＳが８０mmの
場合を示し、(ｂ）はＴＳが４０mmの場合を示す。この
図から分かるように、ＴＳは広げることにより、Ｐは高
くすることにより、膜の引っ張り又は圧縮応力が１ＧＰ
a以下になるバイアス印加条件の範囲が広くなる。すな
わち、ＴＳを８０mm，Ｐを３.５Ｐa に設定すれば、膜
の引っ張り又は圧縮応力を１ＧＰa 以下にするためのバ
イアス電圧Ｖの設定範囲はおおよそ−７５Ｖから−１５
０Ｖまでと比較的広くすることができる。ＴＳ及びＰの
値をそれぞれ更に大きくすれば、上記Ｖの設定範囲は更
に拡大される。

【００２８】次に、成膜圧力Ｐと基板１５に形成された
膜の比抵抗との関係は図４に示すようになる。図４にお
いて、(ａ)はＴＳが８０mmの場合、(ｂ)はＴＳが４０mm
の場合を示す。この図から分かるように、ＴＳは広げる
ことにより、Ｐは高くすることにより薄膜の比抵抗値が
小さくなる。さらに、ＴＳが８０mmのときは、バイアス
電圧がフローティングポテンシャルから−１５０Ｖまで
の間は比抵抗が殆ど変化しない。すなわち、ＴＳを８０
mm、Ｐを３.５Ｐa に設定すれば、比抵抗が約１.０×１
０~⁷Ω・ｍの薄膜が得られる。ＴＳ及びＰを更に大きく
すれば、より小さな比抵抗値の薄膜が得られる。

【００２９】上記実験データより成膜圧力Ｐと、ターゲ
ットと基板との間の距離ＴＳ、及びバイアス電圧Ｖとの
間には、１≦１.３×１０⁵・Ｐ・ＴＳ／Ｖ²≦５〔Ｐa・ｍ・Ｖ~²〕で表される関係が成り立つ。

【００３０】即ち、Ｐ，ＴＳ，Ｖの間に上記した式の関
係が成り立つように各値を設定すれば、応力、比抵抗共
に小さい薄膜が得られる。

【００３１】以上に説明したように、ターゲットと基板
との間の距離ＴＳを広げ、成膜圧力Ｐを高くすることに
より、ターゲット近傍の比較的強い電界で加速されてタ
ーゲットに衝突しその一部が弾性衝突的にターゲット表
面から反射される、大きな運動エネルギを持ったいわゆ
る反跳原子、及び、プラズマ中及びその周辺の比較的強
い電界で加速された荷電粒子、と成膜ガス分子との衝突
頻度が増加し、前記反跳原子や荷電粒子等のいわゆる高
エネルギ粒子の運動エネルギは減少させられ、成膜中に
基板に入射する高エネルギ粒子が減少する。

【００３２】この結果、基板上に形成される薄膜は、高
エネルギ粒子によるダメージを受けることが少なくな
り、更に、基板に比較的弱いバイアスを印加すること
で、基板上に成長する薄膜の表面は比較的小さい運動エ
ネルギのイオンで衝撃されて表面の原子が拡散しながら
膜が成長するので、膜の比抵抗はバルクの値に近づいて
小さくなり、かつ、応力の極端な上昇も押さえられる。

【００３３】これにより、比抵抗が小さく、かつ、応力
も小さい高融点金属の薄膜が安定して得られるようにな
る。

【００３４】なお、上記実施例は、直流電源２０及び２
１を用いた場合を示したが、直流電源２０及び２１は一
方又は双方とも高周波電源又はパルス電源に置き換えて
もよい。

【００３５】図５は、前記した方法により形成された高
融点金属の薄膜を有する半導体装置の一実施例を示す断
面図である。１０１は基板、１０２は第１の絶縁膜、１
０３は第１層目の配線膜、１０４は第２の絶縁膜、１０
５は第２層目の配線膜である。

【００３６】前記第１層目１０３及び第２層目１０５の
配線の断面の拡大図を図６に示す。１１１は配線の下地
膜である。この配線の下地膜として、比抵抗が小さく、
かつ、応力も小さい上記高融点金属の薄膜を用いること
により、上部配線膜１１２の信頼性が確保される。ま
た、配線の下地膜１１１および上部配線膜１１２を上記
高融点金属の薄膜を用いて一体として形成してもよい。

【００３７】次に、本発明における第二の手段による積
層膜の形成方法について、その一実施例を図１，図２，
図７，図８，図９，図１０，図１１，図１２および図１
３を用いて説明する。図１の構成は、前記本発明におけ
る第一の手段の実施例で説明したとうりである。図２に
おいては、３１は真空容器、３２は真空容器３１に設け
られた開口部で絶縁物３３を介して取り付けられたスパ
ッタ電極３４のターゲット３５が真空容器３１の内部に
面している。３６は電磁石、３７は電磁石３６の電源、
３８はアノード電極、３９は真空容器３１に設けられた
開口部で基板電極４０を取り付ける。４１はアースシー
ルド、４２は基板押さえで絶縁物４３及び４４を介して
アースシールド４１及び基板電極４０に支持されてい
る。１５は基板、４６は電磁石、４７は電磁石４６のカ
バー、４８は電磁石４６の電源、５０は直流電源、５１
は直流電源、５２はガス導入手段、５３は真空排気手段
である。

【００３８】６０は真空容器で、図１に示す真空容器１
と図２に示す真空容器３１とを接続している。

【００３９】以上の構成による積層薄膜の形成手順を、
説明する。まず、真空容器１の中における第一層目高融
点金属の薄膜の形成の手順は、前記本発明の第一の手段
の一実施例において説明したものと同じである。

【００４０】次に、第二層目の導電性薄膜の形成につい
て図２により説明する。

【００４１】高融点金属の薄膜を形成した基板１５を、
搬送手段（図示せず）により真空容器６０を通り真空容
器３１に搬送して基板電極４０の上に載置し、基板押さ
え４２で押さえる。ここで、基板１５を搬送するとき、
真空容器１，３１，６０の内部は１.０×１０~⁴Ｐa よ
り低い圧力に維持されており、搬送中の基板の表面に酸
化膜等が成長しないようにしている。この状態で真空容
器３１を真空排気手段５３により高真空に排気した後、
ガス導入手段５２からガス（例えばアルゴンガス；Ａ
r）を導入して真空容器３１の内部を所定の圧力に維持
する。ここで、電源３７及び４８で電磁石３６及び４６
をそれぞれ励磁する。次に、直流電源５０でスパッタ電
極３４に電力を印加してターゲット３５の表面近傍でマ
グネトロン放電を発生させ、ターゲット３５をスパッタ
する。このときターゲットの表面近傍には電磁石３６及
び４６によりマグネトロン放電に適した磁界が形成され
ている。

【００４２】上記マグネトロンスパッタによる成膜を行
なうとき、同時に基板１５にも基板押さえ４２を介して
直流電源５１により電力を印加していわゆるバイアスス
パッタ成膜を行ない、基板１５上に低融点金属から成る
導電性材料の薄膜を形成する。このような高融点金属
と低融点金属との積層膜の形成において、ターゲット５
は高融点金属の材料としてＴｉとＷとの合金から成り、
ターゲット３５は低融点金属から成る導電性材料として
ＡｌとＣｕとＳｉとの合金から成る場合について述べ
る。

【００４３】上記バイアススパッタ成膜において、第一
層目の高融点金属の薄膜を形成するＷとＴｉ（１０ｗｔ
％）との合金から成るターゲット５を用いた場合の成膜
圧力Ｐをパラメータにしたときの基板バイアス電圧と基
板１５に形成された膜の応力との関係は、図７に示すよ
うになる。この図から分かるように、Ｐが高い方が、膜
の引っ張り又は圧縮応力が１ＧＰa 以下になるバイアス
印加条件の範囲が広い。すなわち、Ｐを３.５Ｐa に設
定すれば、膜の引っ張り又は圧縮応力を１ＧＰa以下に
するためのバイアス電圧Ｖの設定範囲は、基板をアース
から絶縁した状態、即ちフローティングポテンシャル
（おおよそ−３０Ｖ）からー１００Ｖまでと比較的広く
することができる。Ｐの値を更に大きくすれば、上記Ｖ
の設定範囲は更に拡大される。なお、この時のターゲッ
トと基板との間の距離ＴＳは、６０mmである。

【００４４】次に、成膜圧力Ｐをパラメータとしたとき
の基板バイアス電圧と基板１５に形成された膜の比抵抗
との関係は、図８に示すようなものになる。この図から
分かるように、Ｐが高い方が薄膜の比抵抗値は小さく、
かつ、Ｐが２Ｐaと３.５Ｐaの場合、共にバイアス電圧
Ｖが−１５０Ｖで比抵抗値が最小になる。即ち、バイア
ス電圧Ｖがフローティング電位（ＦＬ）のときと比較す
ると、ＶがＦＬから−１５０Ｖまではバイアス電圧印加
の効果が現われて比抵抗値が単調に減少し、Ｖが−１５
０Ｖを超えると膜はダメージを受けて、比抵抗値が増加
する。実験の結果からは、比抵抗に対するバイアス電圧
印加の効果は−５０Ｖですでにはっきり現われている。

【００４５】以上に説明したように、ＷとＴｉ（１０ｗ
ｔ％）との合金から成る高融点金属ターゲットを用いた
バイアススパッタにおいては、成膜圧力Ｐを３Ｐa 以
上、ターゲットと基板との間の距離ＴＳを６０mm以上、
基板バイアス電圧を−４０Ｖから−１００Ｖの間に設定
することで、膜応力，比抵抗が共に小さい高融点金属の
薄膜が得られる。

【００４６】即ち、成膜圧力Ｐを高くすることにより、
ターゲット近傍の比較的強い電界で加速されてターゲッ
トに衝突しその一部が弾性衝突的にターゲット表面から
反射される、大きな運動エネルギを持ったいわゆる反跳
原子、及び、プラズマ中及びその周辺の比較的強い電界
で加速された荷電粒子、などと成膜ガス分子との衝突頻
度が増加し、前記反跳原子や荷電粒子などのいわゆる高
エネルギ粒子の運動エネルギが低下するので、成膜中に
基板に入射する高エネルギ粒子の量が減少する。この結
果、基板上に形成される薄膜は、高エネルギ粒子による
ダメージを受けることが少なくなり、更に、基板に比較
的弱いバイアス電圧を印加することで、基板上に成長す
る薄膜の表面は比較的小さい運動エネルギのイオンで衝
撃されて原子の拡散が促進されながら膜が成長するの
で、膜の比抵抗はバルクの値に近づいて小さくなり、か
つ、応力の極端な上昇も押さえられる。

【００４７】これにより、比抵抗が小さく、かつ、応力
も小さい高融点金属の薄膜が安定して得られるようにな
る。

【００４８】次に、第二層目の導電性薄膜を形成するＡ
ｌとＣｕ（０.５ｗｔ％）とＳｉ（１.５ｗｔ％）との合
金（以下Ａｌ合金という）から成るターゲットをスパッ
タしたときのバイアス電圧とＡｌ合金膜の結晶粒径との
関係は、図９に示すようなものになる。

【００４９】即ち、基板にバイアス電圧を印加しないフ
ローティングポテンシャルのときのＡｌ合金膜の結晶粒
径は０.５μｍ程度であるのに対して、バイアス電圧を
−5 0Ｖから−１００Ｖの範囲に設定してバイアススパ
ッタ成膜すると、３倍の１.５μｍ以上の結晶粒径が得
られ、−４０Ｖ程度でも２倍以上の粒径に成長する。ま
た、特に、バイアス電圧が−７５Ｖのとき、結晶粒径は
３倍以上の１.７μｍにまで成長する。

【００５０】一方、バイアス電圧を−１００Ｖより大き
くすると、Ａｌ合金膜は損傷を受けることが知られてい
る。

【００５１】従って、フローティングポテンシャルのと
きに比べて２倍以上の大きな結晶粒径を持ち、かつ、損
傷のないＡｌ合金膜を形成するには、バイアス電圧を−
４０Ｖから−１００Ｖの間に設定すれば良い。

【００５２】以上のような条件で形成した二層構造の積
層配線膜の、Ａｌ合金膜形成時の基板バイアス電圧と膜
応力との関係を図１０に、及び基板バイアス電圧と比抵
抗値との関係を図１１に示す。

【００５３】各層の薄膜を前記したそれぞれの条件の範
囲で形成すれば、積層膜の応力、比抵抗は十分に小さ
く、かつ、Ａｌ合金膜は前述したように、十分に大きな
結晶粒径が得られる。

【００５４】なお、上記実施例は、スパッタ用及びバイ
アス印加用電源として、直流電源２０と２１及び直流電
源５０と５１を用いた場合を示したが、直流電源２０と
２１及び直流電源５０と５１はそれぞれ高周波電源又は
パルス電源に置き換えてもよい。図１２は、前記した方
法により形成された半導体装置の一実施例を示す断面図
である。２０１は基板、２０２は第１の絶縁膜、２０３
は第１層目の配線膜、２０４は第２の絶縁膜、２０５は
第２層目の配線膜である。

【００５５】前記第１層目２０３及び第２層目２０５の
配線の断面の拡大図を図１３に示す。２１１は配線の下
地膜、２１２は主配線膜である。この配線の下地膜２１
１には、比抵抗が小さく、かつ、応力も小さい上述した
方法により形成された上記ＷとＴｉとの合金から成る
高融点金属の薄膜を用い、主配線膜２１２には、上述し
た方法により形成された結晶粒径の大きい上記Ａｌ合金
より成る低融点金属膜を用いることにより、寿命が長
く、かつ、信頼性が高い配線膜が確保される。

【００５６】上記実施例では、第一のＷを主成分とした
高融点金属ターゲットの材料として、ＷとＴｉ（１０ｗ
ｔ％）との合金の場合について説明したが、Ｗ単体であ
っても良い。また、第二の低融点金属を主成分とする導
電性材料のターゲットとして、ＡｌとＣｕ（０.５ｗ
ｔ％）とＳｉ（１.５ｗｔ％）との合金を用いた場合に
ついて述べたが、ＡｌとＳｉの合金またはＡｌとＣｕの
合金であっても良く、更に、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，
Ｐｔなどの金属またはそれらを一つの主たる合金元素と
する合金であっても良い。

【００５７】図１３において、本発明の半導体装置への
実施例として、高融点金属から成る配線の下地膜２１１
と低融点金属からなる主配線膜２１２から成る二層構造
の配線膜を示したが、主配線膜２１２の上に更に高融点
金属膜を形成して三層構造にすれば、より信頼性の高い
配線膜が得られる。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明における第
一の発明によれば、比抵抗値及び応力ともに小さい良質
な高融点金属の薄膜を安定に得られるという効果があ
る。

【００５９】また、本第一の発明による高融点金属の薄
膜を半導体装置に用いれば、信頼性の高い配線膜が得ら
れるという効果もある。

【００６０】更に、本発明における第二の発明によれ
ば、比抵抗及び応力が共に小さい高融点金属の薄膜と、
結晶粒径が大きい低融点金属から成る導電性薄膜とを積
層して形成することにより、比抵抗及び応力が共に小さ
い積層膜を形成できるという効果がある。

【００６１】また、本第二の発明による積層膜を半導体
装置に用いれば、寿命が長く、かつ、信頼性が高い配線
膜が得られるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実現するための薄膜形成装置の第一の
成膜室の一実施例を示す縦断面図である。

【図２】本発明を実現するための薄膜形成装置の第二の
成膜室の一実施例を示す縦断面図である。

【図３】Ｗをスパッタ成膜したときのバイアス電圧と膜
応力の関係の一例を示す図で、（ａ）はＴＳが８０mmの
場合の例を示し、（ｂ）はＴＳが４０mmの場合の例を示
す。

【図４】Ｗをバイアススパッタ成膜したときのバイアス
電圧と比抵抗の関係の一例を示す図で、（ａ）はＴＳが
８０mmの場合の例を示し、（ｂ）はＴＳが４０mmの場合
の例を示す。

【図５】本発明により形成したＷ薄膜を用いた半導体装
置の一実施例を示す断面図である。

【図６】図５の配線膜部を示す詳細断面図である。

【図７】ＷとＴｉ（１０ｗｔ％）との合金ターゲットを
スパッタ成膜したときの基板バイアス電圧と膜応力との
関係の一例を示す図である。

【図８】ＷとＴｉ（１０ｗｔ％）との合金ターゲットを
スパッタ成膜したときの基板バイアス電圧と膜比抵抗と
の関係の一例を示す図である。

【図９】基板バイアス電圧とＡｌ合金膜の結晶粒径との
関係の一例を示す図である。

【図１０】Ａｌ合金膜形成時の基板バイアス電圧と積層
配線膜の膜応力との関係を示す図である。

【図１１】Ａｌ合金膜形成時の基板バイアス電圧と積層
配線膜の比抵抗値との関係を示す図である。

【図１２】本発明の薄膜形成方法に基づいて形成された
積層薄膜を配線膜として用いた半導体装置の一実施例を
示す断面図である。

【図１３】図１３は図１２の配線膜部の詳細断面図であ
る。

【符号の説明】

１…真空容器、４…スパッタ電極、５…ターゲット、１０…基板電極、１２…基板押さえ、１５…基板、２０…直流電源、２１…直流電源、３１…真空容器、３４…スパッタ電極、３５…ターゲット、４０…基板電極、４２…基板押さえ、５０…直流電源、５１…直流電源、６０…真空容器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−166268（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−243765（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−111525（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−245525（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58 H01L 21/88 - 21/90

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】タングステン(以下Ｗと記す)を主成分とす
る高融点金属のターゲットを用いて基板にバイアス電圧
を印加しながら基板上に高融点金属の薄膜を形成するた
バイアススパッタ方法であって、基板に印加するバイア
ス電圧Ｖと、前記ターゲットと前記基板との間隔ＴＳ
と、成膜時のガス圧力Ｐとの間に、１≦１.３×１０ ⁵・Ｐ・ＴＳ／Ｖ ²≦５［Ｐａ・ｍ・Ｖ ^-2］が成り立ち、かつ、−４０＞Ｖ(Ｖ) ＞−１５０，ＴＳ
(ｍｍ) ≧６０，Ｐ(Ｐａ)≧３の範囲で前記Ｖ，ＴＳ及
びＰをそれぞれ設定して前記ターゲットをスパッタする
ことにより、該ターゲットからスパッタされた高エネル
ギ粒子の前記ガスの分子との衝突頻度を増加させて前記
基板に入射する高エネルギ粒子を減少させ、比抵抗が４
×１０ ^-7Ω・ｍ以下で、応力が１ＧＰａ以下のＷを主成
分とする高融点金属薄膜を形成することを特徴とする高
融点金属の薄膜形成方法。
【請求項２】Ｗを主成分とする高融点金属の第一のター
ゲットと低融点金属を主成分とする導電性材料の第二の
ターゲットを用いたバイアススパッタ法であって、前記
Ｗを主成分とする高融点金属の第一のターゲットのスパ
ッタにおいて、基板に−７５Ｖから−１５０Ｖの範囲の
バイアス電圧を印加した状態で、前記第１のターゲット
と基板との間隔を６０ｍｍ以上、成膜時のガス圧力を３
Ｐａ以上に設定してバイアススパッタすることにより、
基板上に比抵抗が４×１０ ^-7Ω・ｍ以下で、応力が１Ｇ
Ｐａ以下のＷを主成分とする高融点金属薄膜を形成し、
次に、前記低融点金属を主成分とする導電性材料の第二
のターゲットのスパッタにおいて、基板に−４０Ｖから
−１００Ｖの範囲のバイアス電圧を印加した状態で、前
記Ｗを主成分とする高融点金属の薄膜上に低融点金属を
主成分とする導電性材料の薄膜を積層形成することを特
徴とする薄膜形成方法。
【請求項３】前記低融点金属を主成分とする導電性材料
の第二のターゲットの材料がＡｌ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，
Ｐｔ等の金属またはそれらの一つを主たる合金元素とす
る合金であることを特徴とする請求項２記載の薄膜形成
方法。
【請求項４】前記Ｗを主成分とした高融点金属の第一の
ターゲットの材料がＴｉとＷとの合金から成り、前記低
融点金属を主成分とする導電性材料の第二のターゲット
の材料がＡｌとＣｕとＳｉとの合金またはＡｌとＳｉと
の合金またはＡｌとＣｕとの合金から成ることを特徴と
する請求項２記載の薄膜形成方法。
【請求項５】前記Ｗを主成分とした高融点金属の薄膜を
形成してから次の前記低融点金属を主成分とする導電性
材料の薄膜を積層形成するまでの間、前記Ｗを主成分と
した高融点金属の薄膜を形成した前記基板を、１×１０
^-4Ｐa 以下の真空中に保持することを特徴とする請求項
２記載の薄膜形成方法。
【請求項６】前記Ｗを主成分とした高融点金属の第一の
ターゲットの材料がＴｉとＷとの合金から成り、前記低
融点金属を主成分とする導電性材料の第二のターゲット
の材料がＡｌとＣｕとＳｉとの合金またはＡｌとＳｉと
の合金またはＡｌとＣｕとの合金から成り、請求項２、
３、４または５の何れかに記載した方法により形成され
た薄膜を配線膜として持つことを特徴とする半導体装
置。