JPH04143266A - 低応力膜形成装置 - 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、半導体集積回路などの半導体デバイスやりソ
グラフィ用マスクの製造で多用される金属膜の形成技術
に関し、特に、非常に低い膜応力を実現するために有効
である低応力膜形成装置に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、半導体集積回路の高性能化に伴い、デバイスの信
頼性を維持・向上させることが一層重要となっている。

特に、半導体集積回路では、ゲート・配線材料として金
属膜が多用されているが、線幅の微細化が進むにつれて
金属膜の応力に起因する金属膜の剥がれや断線が発生し
、信頼性低下が大きな問題となっている。一方、半導体
集積回路の製造で用いられるバタン転写用マスクにも、
紫外線やＸ線を吸収するための金属膜が利用されている
が、金属膜の持つ応力によってマスク基板が変形し、デ
バイスの寸法精度やバタン位置精度が低下する問題が生
じている。このような技術動向にあって、低抵抗材料や
高融点・高密度材料の安定な低応力膜の実現が必要とな
っている。

従来、これら配線やバタン転写用マスク吸収体の形成に
利用される金属膜は、第７図に示すような薄膜製造装置
及び第６図（ａ）に示すような基板ホルダを利用し、第
６図（ｂ）に示すように基板（試料）を配置することに
よって製造されていた。

同図に於いて、■は基板ホルダ、２は基板（試料）、３
はターゲット、４は上部電極（アノード）兼水冷試料テ
ーブル、５は下部電極（カソード）、６はシャッタ、７
は高周波（ＲＦ　）電源、８はプラズマ、９は真空容器
である。

ここで、本装置を動作させるためには、まず、真空容器
９内の上部電極（アノード）兼水冷試料テーブル４上の
基板ホルダｌに膜を形成する基板（試料）２をセットす
る。その後、排気系で真空容器９内を所定の真空度まで
排気した後、Ａｒ等の不活性ガスを真空容器９内に所定
の量だけ導入、更に、シャッタ６と下部電極（カソード
）５との間にＲＦ電源７から電力を供給してプラズマ８
を発生させる。次に、シャッタ６を解放して上部電極（
アノード）兼水冷試料テーブル４と下部電極（カソード
）５との間で放電させる。すると、下部電極（カソード
）５上に固定されたターゲット３がスパッタされ、上部
電極（アノード）兼水冷試料テーブル４に配置されてい
る基板（試料）２の表面上に堆積し、所望の薄膜、例え
ば、Ｔａ膜が形成される。

このような金属膜形成装置が開発される以前は、下部電
極に基板ホルダを配置し、上部電極にターゲットを設置
してこの上部電極に高周波（ＲＦ　）パワーを印加する
方式が用いられていた。しかし、この方法では、基板表
面が上方を向いているため、金属堆積面に塵やゴミ等が
多く付着するという問題点があり、近年では第７図のよ
うに、上部電極に基板ホルダを配置する方法或いは画電
極を垂直に立て、金属堆積面が横を向く方法が主に採用
されている。

従来用いられてきた代表的な基板ホルダの例を第６図に
示す。一般に、基板ホルダには、強度・耐久性に優れ、
機械加工が可能な１ｍｍ〜５ｍｍ程度のＡＩやＳＵＳ製
材料か利用されてきた。また、応力制御性の向上を図る
ため、膜形成中、基板及び基板ホルダに直流電圧を印加
する方法が、本発明と同一出願人による特願昭５８−１
１２９１６号（特開昭６０−５５１９号公報）ｒＸ線露
光用マスクおよびその製法」で開示されている。このよ
うな装置を用いてＳｉ基板上にＴａ膜を形成した場合、
基板面内の平均応カニ−２，４９Ｘ１０’（１’ｎ／ｃ
ｍ！、標準偏差：　１．９３　Ｘ　１０　’ｄｙｎ／ｃ
ｍ”（ｃｙ　）の分布が得られていた。

近年、半導体デバイスの高性能化により、ＬＳＩデバイ
スの金属配線やりソグラフィ用マスクに許容されうるバ
タンの位置誤差やバタン寸法誤差は０．１μｍ以下と非
常に厳しい値となっている。

しかしながら、従来の金属配線やリングラフィ用マスク
吸収体においては、形成膜が部分的に剥離したり、バタ
ン寸法が０．５μｍ以上変化する現象が頻繁に生じてい
た。そこで、形成した膜の剥離やバタンの位置誤差・バ
タン寸法誤差の要因を詳細に調べたところ、形成膜の応
力絶対値が大きいことや基板面内に応力分布が発生して
いるという知見を得た。

通常、ＬＳＩデバイスに利用する金属膜やりソグラフィ
用マスク吸収体膜の応力制御は、本発明と同一出願人に
よる「薄膜形成装置」特願昭６１−１１７６１０号（特
開昭６２−２７４０６５号公報）及び「スパッタ装置」
特願昭６２−２４９８７０号（特開平１−９２３６７号
公報）で開示されるような膜形成ガス圧の高精度制御や
「Ｘ線露光用マスクおよびその製法」特願昭５８−１１
２９１６号（特開昭６０−５５１９号公報）、「Ｘ線露
光用マスクの製造方法」特願昭６２−２２６０４８号（
特開昭６４−６８９３０号公報）、「薄膜形成装置」特
願平１−２７１５６号（特開平２−２０５６７２号公報
）で開示されているように、基板及び基板ホルダ表面に
一定のバイアスを発生させながら膜形成を行う工夫が構
じられている。

しかしながら、従来技術で示したような応力に起因する
重大な問題を解決するまでには至っていなかった。そこ
で、金属膜が剥離した試料やバタンが大きく変形した試
料を詳細に調べた結果、基板の中心からほぼ同心円状に
剥離の頻度が増加することやバタンの変形が大きくなる
ことなどの知見を得た。一方、基板面内の応力分布を調
べてみると、基板中心部分では低応力であるものの、中
心から遠ざかるにつれて応力が増加していることが解っ
た。さらに、この応力分布の発生原因を調査したところ
、膜の堆積中に基板の中心部分と基板の外周部分に温度
差があり、この温度分布と応力分布が対応していること
が明らかになった。従って、この基板の温度分布を生じ
させないことが応力の面内均一性を確保する上で重要で
あるという結論を得た。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明はこの様な点に鑑みて創作されたものであり、金
属膜堆積中に基板面内に温度分布を発生させないことを
特徴とした金属膜形成装置に関するもので、その目的は
、剥離することなく信頼性の高い配線用金属膜を形成し
並びにバタン寸法・位置精度の高いマスク吸収体用金属
膜を形成する低応力膜形成装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明はかかる知見に基づいて完成したものであり、本
発明を用いることにより、単層或いは複合層から成るＬ
ＳＩデバイス用金属配線膜及びリソグラフィ用マスク吸
収体膜の製造方法において、特に、膜の剥離やバタン位
置誤差やバタン寸法誤差などを大幅に低減させることが
可能になる。

本問題の基となった基板面内の温度分布の発生原因を調
べたところ、基板と基板ホルダの材料が異なるために、
プラズマから均一なエネルギを受けても基板と基板ホル
ダの温度上昇が異なり、基板面内に温度分布が生じるも
のであることが解った。本問題を解決する方法として、
２つの発明があり、基板材料・堆積すべき金属材料・装
置構成などから、適する１つの発明を選択して用いるこ
とができる。

第１の発明は、基板ホルダ全体または少なくとも基板と
直接接する部分を、基板と同じ材料で構成することを特
徴とする。これにより、基板の周囲は基板と同じ比熱・
熱容量・熱伝導率の材料となり、プラズマから受けるエ
ネルギが均一であれば基板とその周辺のホルダが同様に
温度上昇し、基板面内に温度分布を発生させない。尚、
基板と同材料で構成する領域が大きければ大きいほどこ
の効果が大きいことも明らかである。更に、基板ホルダ
の熱容量を基板と同程度にするためには、基板ホルダの
厚さを基板と同じにすることが望ましい。

第２の発明は、基板ホルダと基板とが直接接する部分を
先細構造とし、基板と基板ホルダとの接触面積を小さく
することを特徴とする。これにより、基板と基板ホルダ
は熱的な接触がほとんどなくなり、基板は、基板ホルダ
の温度上昇の影響を受けず、均一な温度上昇が達成され
る。

以上の何れかの方法を用いることにより、基板の直径方
向や膜厚方向に対する温度勾配や温度分布が太き（改善
でき、膜応力を決定する最も大きな要因である熱歪の影
響を大きく軽減できる。

ここで、金属膜を形成する基板としては、Ｓｉ３Ｎ４．
ＳｉＮ、５ｉｆｔ、ＳｉＣ，ＢＮ等やポリイミドやマイ
ラー等の単層または複合層を有するＳｉ等の半導体用結
晶材料或いは前記材料や石英。

ＧａＡｓ等の材料さらにはタンタル酸リチウムやリチウ
ムナイオベート等の光学結晶などが適用できる。また、
前記基板上に形成する金属膜としてはＴａ、Ｗ、Ｍｏ、
Ｒｅ、Ａｕ、ｐｔ等重重金属Ｃｒ、Ａ１などの軽金属の
単層或いは複合層、さらにはこれら材料のシリサイドが
適用可能である。

〔実　施　例〕

（実施例１） 第１図（ａ）及び第１図（ｂ）は本発明の第１の基板ホ
ルダを説明するための概略図である。

■は基板ホルダ：材料Ａ、２は基板（試料）二材料Ｂ、
１０は基板％）Ｉｖダニ材料Ｂ′である。

第１図（ａ）に開示する基板ホルダは、基板（試料）：
材料Ｂ２と接する領域を含めた基板ホルダの一部に、基
板材料二Ｂと同じ材料；Ｂ′と従来から利用されている
ホルダ材料：Ａから構成されている。また、第１図（ｂ
）に開示する基板ホルダは、基板（試料）：材料Ｂ２と
接する領域を含めた全基板ホルダが、基板材料：Ｂと同
じ材料：Ｂ′で構成されている。

第２図は、第１図（ａ）に開示した基板ホルダを用い、
しかも、特願昭５８−１１２９１６号公報「Ｘ線露光用
マスクおよびその製法」や本発明の従来技術で開示した
膜形成方法、即ち、第３図に開示する方法によって得ら
れたＴａ薄膜の基板面内の応力分布例である。第３図に
於いて、■は基板ホルダ、２は基板（試料）、３はター
ゲット、４は上部電極（アノード）兼水冷試料テーブル
、５は下部電極（カソード）、６はシャッタ、７は高周
波（ＲＦ）電源、８はプラズマ、９は真空容器、２０は
絶縁材料、２１は外部直流電源（或いはＲＦ電源）であ
る。

ここで、本装置を動作させるためには、まず、真空容器
９内の上部電極（アノード）兼水冷試料テーブル４上に
、絶縁材料２０を介して膜を形成する基板（試料）２を
基板ホルダ１にセットした後に配置する。その後、排気
系で真空容器９内を所定の真空度まで排気した後、Ａｒ
等の不活性ガスを真空容器９内に所定の量だけ導入、更
に、シャッタ６と下部電極（カソード）５との間にＲＦ
電源７から電力を供給してプラズマ８を発生させる。こ
の時、外部直流電源（ＲＦ電源）２１から電力を供給し
、基板及び基板ホルダ表面に所望のバイアスを発生させ
る。次に、シャッタ６を解放して上部電極（アノード）
兼水冷試料テーブル４と下部電極（カソード）５との間
で放電させる。すると、下部電極（カソード）５上に固
定されたターゲット３がスパッタされ、上部電極（アノ
ード）兼水冷試料テーブル４に配置されている基板（試
料）２の表面上に薄膜が堆積する。

ここで、基板には厚さ：１ｍｍのＳｉ、Ｔａ膜厚は０，
６５μｍ１．基板に印加したバイアスは−２゜５ｖ、基
板ホルダ１の直径：３０ｃｍ、材料：５ＵＳ３０４、厚
さ：５ｍｍ、基板の直径７３インチ、基板ホルダ１０の
外径：４インチ、材料＝Ｓｉ、厚さ：０．５ｍｍ、内径
：φ６０ｍｍである。

この時得られたＴａ膜の基板面内の応力は、平均窓カニ
　−０，７６ｘ　１０　’ｄｙｎ／ｃｍ！、標準偏差：
１．２９　ｘ　Ｉ　Ｏ”ｄｙｎ／ａｍ”（σ）であり、
第５図の従来技術によって得られたＴａ膜の基板面内の
応力均一性（応力分布）に比較して大きな改善がある。

（実施例２） 低応力膜の基板面内均一性を改善するためには、基板温
度の面内分布を改善することが重要であり、このために
は、基板と基板ホルダが接する領域での熱接触や熱伝導
の大きな違いのために生ずる基板の直径方向や膜厚方向
での温度分布・温度勾配を軽減させる対策を講すること
が必要である。そこで、実施例１では、基板ホルダの材
料について、温度分布や熱勾配を発生させない方法を示
した。

実施例２では、基板面内での温度分布・熱勾配を改善す
る方法として、ヒートシンク（基板に比較して熱容量が
非常に大きい）として作用する基板ホルダと基板を第４
図に示すように、接触面積が非常に小さいピンで保持し
、基板を熱的に絶縁された状態に置いて、供給されたエ
ネルギが基板の昇温にだけ消費され、基板ホルダを通し
て基板温度が逃げないことを特徴とする。第４図に於い
て、■は基板ホルダ、２は基板（試料）、１１は先細構
造のピンである。なお、ピン１１は、基板と基板ホルダ
との熱的接触を極力軽減する機能を有することが可能で
あれば、その大きさ或いは構造（ピンが基板ホルダと一
体であっても、独立しても）はこだわらない。第４図に
於いては強調して図示している。

第４図に示す基板ホルダを用い、第３図で開示した方法
によって金属薄膜を形成した例を以下に示す。基板ホル
ダはＳＵＳ製（熱膨張係数：１０Ｘ１０’ｄｅｇ−’、
比熱：　０．５１　Ｊ　／　ｇ−ｄ　ｅ　ｇ、熱伝導率
：　０．１４Ｗ／ｃｍ　・ｄ　ｅ　ｇ、密度ニア、９１
ｇ’ｃｍ”）のもので、先端がφ１ｍｍ、高さ２ｍｍの
円錐状の突起３個で基板を支え、これ以外の部分は基板
と接触しない構造とした。また、突起は基板の外周から
５ｍｍの位置に設置した。基板及びターゲット材料は、
実施例１と同じＳｉ（熱膨張係数：２．５Ｘ１０　　’
ｄｅｇ−’、比熱：０．７６１Ｊ／ｇ−ｄｅｇ、熱伝導
率：　１．５　Ｗ／ｃｍ−ｄｅｇ、密度：２．４２ｇ−
ａｎ−３）とＴａを用い、堆積手順・条件とも実施例１
と同じにした。この時得られたＴａ膜の基板面内の応力
は、実施例１と同様に、標準偏差でＩ　Ｘ　１０　’ｄ
ｙｎ／ｃｍ”（σ）程度のものが得られた。

以上述べたように、第４図に示す基板ホルダを用いても
、実施例１と同様に基板面内の応力の均一性を改善する
ことができる。これは、すでに述べたように、基板と基
板ホルダとの間に熱容量として約３４０倍の差があって
も、接触面積が非常に小さいピンで基板を保持している
ために基板の温度が基板ホルダから放散されることがな
くなり、面内温度分布の均一性が向上する結果である。

なお、実施例１及び実施例２で述べた２つの方法は、応
力の面内均一性の改善ということで、いずれも同様な効
果があるが、基板材料によっては第１図に示すようなホ
ルダ自身に加工することが困難な場合があり、その時に
は実施例２の方法が有効である。また、基板の剛性が小
さく、小さい面積で支持することが困難な場合には、実
施例１の方法が有効である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、ＬＳＩデバイスに利用される金属
配線膜やりソグラフィ用マスク吸収体膜に代表される低
応力膜の形成を実現するために、（１）基板ホルダ全体
または少なくとも基板と直接接する部分に、基板と同じ
材料から構成することを特徴とした基板ホルダの利用、
（２）基板ホルダと基板とが直接接する部分を先細構造
とし、基板と基板ホルダとの接触面積を小さくすること
を特徴とした基板ホルダの利用、の何れかの方法によっ
て、基板と基板ホルダとの熱容量差や基板と基板ホルダ
との熱接触不良などによる基板面内の直径方向ならびに
膜厚方向の温度分布・温度勾配を軽減し、熱歪の影響を
低減できる。その結果、基板面内の応力分布が良好な低
応力膜の形成が可能となる。

なお、従来技術や本実施例においては、スパッタ法によ
るリソグラフィ用マスク吸収体の製造を対象に説明して
いるが、基板ホルダを利用した膜形成法、例えば、真空
蒸着法、イオンビーム付着法、ＥＣＲプラズマ付着法な
どにおいては、本発明で開示した基板ホルダを利用する
ことにより、本発明の効果を何等損なうこと無く基板面
内均一性が優れた低応力膜が形成できることは明らかで
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）及び第１図（ｂ）は本発明の第１の基板ホ
ルダ概略図、第２図は本発明によって得られたＴａ薄膜
の基板面内の応力分布例、第３図は本発明の低応力膜形
成方法を説明するための低応力膜形成装置、第４図は本
発明の第２の基板ホルダ、第５図は従来法によって得ら
れたＴａ薄膜の基板面内の応力分布例、第６図は従来の
基板ホルダ、第７図は従来の薄膜形成法を説明するため
の薄膜形成装置の概略図である。 ｌ・・・基板ホルダ（材料Ａ）、２・・・基板（試料）
（材料Ｂ）、３・・・ターゲット、４・・・上部電極（
アノード）兼水冷試料テーブル、５・・・下部電極（カ
ソード）６・・・シャッタ、７・・・高周波（ＲＦ　）
電源、８・・・プラズマ、９・・・真空容器、１０・・
・基板ホルダ（材料Ｂ’）、１１・・・ピン、２０・・
・絶縁材料、２１・・・外部直流電源（或いはＲＦ電源
） 特許出願人　　日本電信電話株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）真空試料室内に配置された基板上に金属材料の単
   層或いは複合層から成る膜を形成する薄膜形成装置に於
   いて、前記基板を保持する基板ホルダの少なくとも前記
   基板と直接接する部分を含めた一部或いはホルダ全体が
   前記基板と同じ材料で構成されている前記基板ホルダを
   具備することを特徴とする低応力膜形成装置。
2. （２）真空試料室内に配置された基板上に金属材料の単
   層或いは複合層から成る膜を形成する薄膜形成装置に於
   いて、前記基板を保持する基板ホルダの前記基板と直接
   接する部分が、先端の細くなった支柱により構成され、
   前記基板と基板ホルダの接触面積が小さい構造の前記基
   板ホルダを具備することを特徴とする低応力膜形成装置
   。