JPH02167890A - ニッケル膜およびそれを形成するスパッタリング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、膜応力を低減したニッケル膜およびそれを形
成するスパッタリング方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、半導体ウェハ上にチタン膜、ニッケル膜。

金膜を順次スパッタリング法によって形成する積層金属
電極の製造方法が知られているが、このスパッタリング
は通常はＡｒの圧力を２〜１０ｍＴｏｒｒとして行なわ
れていた。これは、Ａｒの圧力を高くすると膜の比抵抗
が高くなり、又、圧力を高くすればそれだけポンプの負
荷が高くなるという理由からであった。

〔発明が解決しようとする課題］ しかし、従来のスパッタリング方法では、特にニッケル
膜に強い膜応力が発生し、その結果ウェハの反りや接合
強度の低下が起こり、特にウェハの反りは自動生産ライ
ンにおいては切実な問題であり、例えばウェハの反りが
３５０μｍを越えると自動生産ラインで流すことが出来
ずに、人間がピンセットで搬送しなければならないとい
う問題点を有していた。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、ニッ
ケル膜の膜応力を低減すると共に、それを形成するスパ
ッタリング方法を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために本発明のニッケル膜は、基板
上に形成されるニッケル膜であって、（１１１）結晶面
に対する（２００）結晶面のＸ線回折ピーク強度比 ［−（２００）／　　（１１１）　　ｘｌｏｏ　％コ　
カｌ。

％以上である事を特徴とするニッケル膜を特徴としてい
る。

又、本発明のスパッタリング方法は、チャンバ内へアル
ゴンガスを供給し、イオン化した前記アルゴンガスをニ
ッケルを含むターゲットに衝突させ、前記ターゲットか
ら飛び出したニッケル原子を基板上に堆積させることに
よりニッケル膜を形成するスパッタリング方法であって
、 供給する前記アルゴンガスの圧力を１２ｍＴｏｒｒ以上
にしたことを特徴としている。

又、前記アルゴンガスの圧力を１５ｍＴｏｒｒ以上にし
でもよい。

又、スパッタリング時において、前記基板の温度を１０
０〜２５０″Ｃにしてもよい。

又、前記基板として半導体基板を用い、該半導体基板の
表面に予じめチタン膜を形成しておき、該チタン膜上に
前記ニッケル膜を形成するスパッタリング方法であって
、前記ニッケル膜のスパッタリング時における前記アル
ゴンガスの圧力を２５　ｍＴｏｒｒ以下にしてもよい。

〔実施例〕

本発明は発明者達が実験を行い考察を加えた結果、スパ
ッタリングによるニッケル膜の底膜の際に、アルゴンの
圧力を高くするとニッケル膜応力が低減できることを見
い出した事に基づき成されたものである。以下、図面を
用いて本発明の一実施例を説明する。

本実施例に用いる装置は、第２図に示すＶａｒｉａｎ社
製（ＸＭ−８）のＤＣ平行平板型マグネトロンスパッタ
リング装置であり、基板温度を約１８０″Ｃ１チヤンバ
２３内に供給するアルゴン（Ａｒ）２１の圧力を２０ｍ
Ｔｏｒｒとしてスパッタリングする。第１図（ａ）乃至
第１図（ｆ）には本実施例により製造される積層金属電
極が製造工程順に模式的に示しである。１は直径が３イ
ンチ、厚さ２３０μｍのシリコン（Ｓｉ）基板である。

このシリコン基板１上に図示していないがパワー（電力
用）バイポーラトランジスタのベース領域、エミッタ領
域を形成した後、第１図中）に示すように表面電極とし
てアルミ配線３を所定のパターンに形成する。次に第１
図（Ｃ）に示すように、アルミ配線３の保護膜として窒
化シリコン（ＳｉＮ）Ｉ’Ｗ５を形成する。

このようにしてシリコン基板１の表面１の表面側に素子
の構成要素が形成されたならば、次に第２図に示すスパ
ッタリング装置を用いてシリコン基板１の裏面側にバイ
ポーラトランジスタのコレクタ電極となる金属膜を形成
する。第２図において、まず、トランスポート２５から
搬入ロックテーブル２７がウェハを受けとり、引続きそ
の搬入ロックテーブル２７が下降動作を行うことにより
ウェハをシャトル（図示せず）に渡す。シャトルは第２
図中点線上を移動可能に構成されており、受けとったウ
ェハをまずプロセステーブル２９上に移動させる。ステ
ーション１３においては、プロセステーブル２９が低電
位に、そして、キャプチャー３１側が高電位（具体的に
は接地電位）になるように高周波電源が接続されており
、この状態で６０Ｗ、１８０秒間の条件でスパッタリン
グを行うことによりイオン化したＡｒガス（Ａｒ”）が
シリコン基板１の裏面に衝突し、裏面を厚さ約１８０人
エツチングする。尚、キャプチャー３１はシリコン表面
の汚染物（自然酸化膜等）を捕集するためのものである
。又、第２図中、３３は放電を格納するためのマグネッ
トである。

次に、ウェハはシャトルによりステーション１５に移動
させられプロセステーブル３５上に置かれる。このステ
ーション１５においては、プロセステーブル３５が高電
位（具体的には接地電位）に、そして、チタン（Ｔｉ）
を含むターゲ・ント３７側が低電位になるように直流電
源が接続されており、この状態で２ＫＷ、７５秒間の条
件でスパッタリングを行うことによりイオン化したＡｒ
ガスがターゲット３７に衝突し、ターゲット３７から飛
び出したＴｉ原子がシリコン基板１上に堆積し、第１図
（ｄ）に示すように約２５００人の厚さのＴｉ膜７を形
成する。

次に、ウェハはシャトルによりステーション１７に移動
させられプロセステーブル３９上に置かれる。このステ
ーション１７においてもステーション１５と同様に、プ
ロセステーブル３９が高１位に、そしてニッケル（Ｎｉ
）を含むターゲット４１側が低電位になるように直流電
源が接続されており、この状態でＩＫＷ、２４０秒間の
条件でスパッタリングを行うことによりイオン化したＡ
ｒガスがターゲット４１に衝突し、ターゲット４１から
飛び出したＮｉ原子がＴｉ膜膜上上堆積し、第１図（ｅ
）に示すように約６０００人の厚さのＮｉ膜９を形成す
る。

次に、ウェハはシャトルによりステーション１９に移動
させられプロセステーブル４３上に置かれる。このステ
ーション１９においても同様に、プロセステーブル４３
が高電位に、そして金（Ａ　ｕ　）を含むターゲット４
５側が低電位になるように直流電源が接続されており、
この状態で０．５ＫＷ。

１２秒間の条件でスパッタリングを行うことによりＮｉ
膜膜上上Ａｕ原子を堆積し、第１図Ｃｎに示すように約
５００人の厚さのＡｕ膜１１を形成する。

このようにして電極が形成されたウエノ＼はシャトルに
より搬出ロックテーブル４７に渡され、さらに、搬出ロ
ックテーブルが上昇動作を行うことによりトランスポー
ト４９に渡され格納される。

尚、Ａｒガスはマスフローメータ５１を介してガス導入
口５３よりチャンバ２３内に供給される。

Ａｒガスの圧力はこのマスフローメータ５１によるＡｒ
ガスの供給量と後述する真空ポンプによる真空引きの程
度により決定される。真空ポンプはロータリーポンプ５
５．ターボポンプ５７およびクラ・ｆオポンプ５９より
成り、ロータリーポンプ５５により粗引きを行い、ター
ボポンプ５７により中引きおよびロック室６１の真空引
きを行い、ターボポンプ５９により本引きを行う、又、
上記の工程により形成されるＮｉ膜９は不活性ガスとし
てＡｒを用いたスパッタリングにより形成されるもので
あるためその膜中に微量のＡｒを含む。

又、上述の説明ではバイポーラトランジスタの詳細構造
については省略したが、この構造は例えば特開昭６３−
１１４２５９号公報に示される構造でよい。

本実施例においてはＡｒの圧力を２０ｍＴｏｒｒとして
スパッタリングを行ったが、Ａｒの圧力を変化させた場
合のデータが第３図乃至第７図に示しである。第３図は
、Ａｒの圧力を変化させた場合にＮｉのＸ線回折ピーク
強度がどう変化するかを示すデータであり、横軸にＡｒ
の圧力を、縦軸にＮｉＯｘ線回折ピーク強度比（＝（２
００）／（１１１）Ｘ１００％〕をとっている。尚、こ
の測定はりガタ社製のＸ線回折装置（ＲＡＤ　ＩＩ　Ｃ
）を用い、４０ＫＶ、４０ｍＡ、常温の条件で評価した
ものである。このデータから分ることは、Ａｒの圧力が
高くなると、（１１１）面に対する（２００）面の割合
が増えてくるということである。

この理由として以下のようなことが考えられる。

Ｎｉのような面心立方格子金属では、結晶面の最稠密面
である（１１１）面がスパッタリングの結果、基板面と
平行になる。しかし、Ａｒの圧力を上げると、Ｎｉの粒
子が雰囲気中のＡｒの分子に衝突する割合が増え、Ｎｉ
粒子のエネルギーが低下し、ブレーンサイズの分散及び
配向性の分散が起こると考えられる。このモデル図を第
８図（ａ）及び第８図（ｂ）に示す。第８図（ａ）はＡ
ｒの圧力が低い従来の場合を示し、Ｎｉの（１１１）面
がＴｉと平行に現われ、Ｎｉの多結晶のブレーンサイズ
が均一なのに対し、第８図（ｂ）に示すＡｒの圧力が高
い場合は、（１１１）面が減少し、Ｎｉ多結晶のブレー
ンサイズが不均一となっている。

このモデル図に基づく考察が正しいことは第４図に示す
Ａｒの圧力とＮｉ膜密度との関係からもわかる。第４図
の横軸はＡｒの圧力を、縦軸は蛍光Ｘ線強度から求めた
Ｎｉ膜の密度を表わしていて、Ａｒ圧を上げるとＮｉ多
結晶のブレーンサイズが不均一となるためにブレーン間
の空隙が大きくなりＮｉ膜の密度が下がっているのであ
る。又、第１３図はＡｒの圧力とＮｉ膜の（１１１）ピ
ーク半値幅との関係を示しており、この図からもＡｒの
圧力を高くするとブレーンサイズが分散し、半値幅が大
きくなることがわかる。

第５図は横軸にＡｒの圧力を取り、縦軸にＮｉ膜の引張
応力を取ったグラフであり、Ａｒの圧力が高くなるとＮ
ｉ膜の応力が低くなるのがわかる。

第６図は横軸にＡｒの圧力を、縦軸にチタン（Ｔｉ）−
シリコン（Ｓｉ）間剥離面積率を取ったグラフで、Ａｒ
の圧力を高くするとＴｉとＳｉとの間で剥離する面積が
減少しているのがわかる。

尚、ここで剥離面積率とは、Ｔｉ及びその上に形成され
た金属膜とＳｔとを引っ張り合った場合に一部ＴｉとＳ
ｉ間で剥離するが、ＴｉとＳｉの接合面積に対するＴｉ
−５ｉ間剥離面積の割合を意味する。

また、第７図は横軸にＡｒの圧力を、縦軸ｔこウェハの
反り量を取ったグラフであり、Ａｒの圧力を高くすると
、ウェハの反り量が減少している。

これは、Ａｒの圧力を高くして、Ｎｉ膜の密度が低くな
り、Ｎｉ膜の応力が減少したためである。

従来の、Ａｒ圧が５　ｍＴｏｒｒ近辺でのウェハの反り
量は、製造上のばらつきのために許容範囲である３５０
μｒｎを越えることがあったが、Ａｒの圧力を上げると
ウェハの反／）贋が３５０μｍを越える確率は低くなる
。

次に、スパッタリング時の基板温度と引張応力との関係
を第９図のグラフに示す。尚、この時のＡｒの圧力は２
０　ｍＴｏｒｒである。この図からＮｉ膜の応力を低減
するのに基板温度の最適範囲が存在することがわかり、
具体的にはその温度範囲はｌ００〜２５０℃が望ましい
。基板温度が１００℃より低い場合には、Ｎ１膜が成長
する際に発生ずる内部応力が大きくなるために第９図に
示すように引張応力が大きくなり、２５０　’Ｃより高
くなると、ＳｉとＮｉの線膨張係数の差により熱応力の
影響が大きくなり、第９図に示すように再び引張応力が
大きくなるためである。

次に、引張応力とＴ　ｉ　−３ｉ間剥離率、ウェハのそ
り量との関係をそれぞれ第１０図、第１１図に示す。そ
れらの図から引張応力が３ＸｌＯａＮ／ボより大きくな
るとＴｉ−３ｉ間剥離率が急激に高くなり、又、ウェハ
のそり量が製造上の許容範囲を越えてしまうので引張応
力は３Ｘ１０”Ｎ／ボ以下にするのが良い。そして、上
述した第５図のグラフから引張応力を３　Ｘ　１０’Ｎ
／ｒｒｒ以下にするためにはＡｒの圧力を１２ｍＴｏｒ
ｒ以上にすれば良いことがわかる。又、第９図のグラフ
からも基板温度を１００〜２５０　’Ｃの範囲内にすれ
ぽ引張応力を３×ｌＯ°Ｎ　／　ｎｆ以下にすることが
できることがわかる。

尚、本実施例においては、ウェハ裏面にオーミンクコン
タクトをとる為にＴｉＪｉＪを形成したが、オーミンク
コンタクトをとる為に、例えばＴｉの代りにクロム（Ｃ
ｒ）あるいはバナジウム（Ｖ）でもよい。また、Ｔｉ層
の厚さは２５００Åに限らず、１０００〜４０００人の
範囲でもよい。また、Ｎｉ層の厚さは６０００人に限ら
ず、２０００〜１００００人の範囲でもよい。

以上述べたように、本実施例によれば、スパッタリング
時にＡｒの圧力を上げることによって、Ｎｉの（１１１
）面が減少して密度が減少し、Ｎｉ膜応力が小さくなり
、この結果ウェハの反りが低域でき、ウェハの自動搬送
が可能となった。また、従来はＴｉ−３ｉ間の接合強度
向上の為に４５０゛Ｃで熱処理を行ない、Ｔｉ−３ｉ間
の剥離を抑制していたが、熱処理のためにウェハの反り
はより大きくなっていた。しかし、本実施例によれば、
Ｎｉ膜の応力を低減させたので、Ｔｉ−３ｉ間接合強度
が向上し、熱処理工程が不要となった。

尚、上記実施例においてはＡｒの圧力を２０ｍＴｏｒｒ
とした例を示したが、Ａｒの圧力はこの値に限定される
ことなく、上述したようにその圧力を１２ｍＴｏｒｒ以
上にすることにより引張応力を３Ｘ１０’Ｎ／ｎｆ以下
にすることができ、Ｔｉ−３ｉ間剥離率、ウェハのそり
量を良好な状態にすることができるものである。又、第
３図及び第６図からも分るように、Ａｒの圧力が１５ｍ
Ｔｏｒｒの点で急激な変化を示しており、特に第３図に
おいてはＡｒの圧力がｌ　５ｍＴｏｒｒ以上になるとピ
ーク強度比が１０％以上になり、そしてほぼ飽和するよ
うになるので、Ａｒの圧力が多少ばらついたとしても特
性が安定したＮｉ膜を形成できる。

又、上述の説明においては、膜応力を低減するためにＡ
ｒの圧力の下限値について説明したが、その上限値につ
いては特に限定されることなく使用するスパッタリング
装置の限界値でよい。但し、上記実施例のようにＮｉ膜
９とシリコン基板１との間にバリア金属としてのＴｉ膜
７等を形成する場合には、その金属の比抵抗からＡｒの
圧力の上限値が決まる。第１２図はＡｒの圧力と比抵抗
との関係を示すグラフでありＮｉ膜（Δプロント）の比
抵抗とＴｉ膜（○プロット）を示している。

ここで、比抵抗の値が１２０μΩ・ｃｍより大きくなる
とＳｔとＴｉのオーミックコンタクトがばらつき始め、
さらにＴｉの密度が低下するためにバリア性が低下しＳ
ｔとＮｉがＴｉ膜７を通って拡散するようになり強度が
劣化するようになる。従って、比抵抗の値は１２０μｍ
　−ｃｍ以下にする必要があるものであり、Ａｒの圧力
が２５ｍＴｏｒｒの時の比抵抗のばらつきが±１５μｍ
−ｃｍであることを考慮するとＡｒの圧力の上限値を２
５　ｍＴｏｒｒにする必要があることがわかる。

また、本発明は半導体つ、エバに限らず、各種材料から
成る基板上に低膜応力の金属膜を密着性よく形成するこ
とができるものであり、特に上記実施例のように半導体
基板の表面にパワー素子を形威し、裏面をも電極として
使用するものについて、その裏面電極の形成方法として
有効である。尚、パワー素子としてはＤＭＯ３，ＩＧＢ
Ｔ等も採用できる。

また、用いるスパッタリング装置としては平行平板型の
他にシリンダー型でもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、スパッタリング時
にＡｒの圧力を高めているので膜応力を低減したニッケ
ル膜およびそのスパッタリング方法を提供することがで
きるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）乃至第１図（ｆ）は本発明の一実施例によ
り製造される積層金属電極を製造工程順に示す断面図、
第２図は本発明の一実施例に使用したスパッタリング装
置、第３図は上記実施例のＡｒの圧力を変化させた場合
のＡｒの圧力とＮｉ膜のＸ線回折ピーク強度比との関係
を示すグラフ、第４図は上記実施例のＡｒの圧力を変化
させた場合のＡｒの圧力とＮｉ１ｌ！密度との関係を示
すグラフ、第５図は上記実施例のＡｒの圧力を変化さ・
仕た場合のＡｒの圧力とＮｉ膜応力との関係を示すグラ
フ、第６図は上記実施例のＡｒの圧力を変化させた場合
のＡｒの圧力とＴｉ−３ｉ間剥離面積率との関係を示す
グラフ、第７図は上記実施例のＡｒの圧力を変化させた
場合のＡｒの圧力とウェハの反り量との関係を示すグラ
フ、第８図はスパッタリング時のＡｒの圧力が低い場合
と高い場合のウェハのモデル図、第９図は基板温度と引
張応力との関係を示すグラフ、第１０図は引張応力とＴ
ｉ−３間剥離率との関係を示すグラフ、第１１図は引張
応力とウェハのそり量との関係を示すグラフ、第１２図
はＡｒの圧力と比抵抗との関係を示すグラフ、第１３図
はＡｒの圧力と半値幅との関係を示すグラフである。 ９・・・ニッケル、２１・・・アルゴン。 代理人弁理士　　岡　部　　　隆 （ほか１名） ＡｒＨ（ｍＴｏｒｒ） Ａｒ正（ｍＴｏｒｒ） 第 図 第 図 ）ｌΔＡ「瓜：ｏ（暉克つ；幻 ＳＡｒ瓜：ｏ（暖ふう ｌ）・） （ｂ） 某板逼戊（℃） 第 図 引５ｋ　Ｅ：　ｈ　（ｘｌ　０”　Ｎ／ｒｒｒＬ）第 図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に形成されるニッケル膜であって、（１１
   １）結晶面に対する（２００）結晶面のＸ線回折ピーク
   強度比 ［＝（２００）／（１１１）×１００％］が１０％以上
   である事を特徴とするニッケル膜。
2. （２）チャンバ内へアルゴンガスを供給し、イオン化し
   た前記アルゴンガスをニッケルを含むターゲットに衝突
   させ、前記ターゲットから飛び出したニッケル原子を基
   板上に堆積させることによりニッケル膜を形成するスパ
   ッタリング方法であって、供給する前記アルゴンガスの
   圧力を１２ｍＴｏｒｒ以上にしたことを特徴とするスパ
   ッタリング方法。
3. （３）前記アルゴンガスの圧力を１５ｍＴｏｒｒ以上に
   した請求項（２）記載のスパッタリング方法。
4. （４）スパッタリング時において、前記基板の温度を１
   ００〜２５０℃にした請求項（２）又は（３）記載のス
   パッタリング方法。
5. （５）前記基板として半導体基板を用い、該半導体基板
   の表面に予じめチタン膜を形成しておき、該チタン膜上
   に前記ニッケル膜を形成するスパッタリング方法であっ
   て、前記ニッケル膜のスパッタリング時における前記ア
   ルゴンガスの圧力を２５ｍＴｏｒｒ以下にした請求項（
   ２）〜（４）のいずれかに記載のスパッタリング方法。