JPS61170561A - 高融点金属膜形成方法 - 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〉 この発明は、高融点金属膜およびその成膜方法に関し、
更に詳しくは半導体集積回路のゲート電極あるいは配線
に用いる高融点金属膜において層間絶縁や段差被覆性に
すぐれたバタン形成加工を行うことができる高融点金属
膜形成方法に関する。

〈従来の技術〉 従来から、たとえば半導体集積回路のゲート電極あるい
は配線などに用いる九めにパタン形成加工する高融点金
属膜としてモリブデン（Ｍｏ）が使用されている。たと
えば、米国真空協会（Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｖａｃｕｕｍ
　５ｏｃｉｅｔｙ　）発行の学術雑誌「真空科学および
技術ジャーナル（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＶａｃｕｕｍ　
５ｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　）　
Ｊ第１５巻（１９７８）、第１１１７頁に掲載された、
エッチ。

オイカワ（Ｈ、Ｏｉｋａｗａ　）執筆の論文「真空堆積
したモリブデン薄膜の電気抵抗（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ
ｒｅｓｉａｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｖａｃｕｕｍ　−ｄｅ
ｐｏｓｉｔｅｄ　ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍｆｉｌｍｓ　）
　Ｊにおいて真空蒸着法によシ基板上面に形成したＭＯ
膜の構造に関する記載があるし、また、上記同様「真空
科学および技術ジャーナル」第１１巻（１９７４年）、
第６６６頁には、ジエイ、エイ、ソルント７　（Ｊ、　
Ａ、Ｔｈｏｒｎｔｏｎ　）氏執箪ノ論文［厚スパッタ被
覆の構造とトポブライに関する装置幾何学および堆積条
件の影響（Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ａｐｐａｒａｔ
ｕｓ　ｇｅｏｍｅｔｒｙ　ａｎｄｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ
　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　５ｔｒｕｃｔ
ｕｒｅ　ａｎｄｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ　ｏｆ　ｔｈｉｃ
ｋ　５ｐｕｔｔｅｒｅｄ　ｃｏａｔｉｎｇｓ　）　Ｊに
おいて、Ａｒをスパッタガスとして得られたＭｏ膜、Ｗ
膜の構造とトポグラフィについて記載されている。

これらの先行技術文献において開示されたモリブデン（
ＭＯ）やタングステン（Ｗ）膜は、真空蒸着法やアルゴ
ン（Ａｒ）をスパッタガスとしたスパッタ法によって基
板上面に成膜したものであって、ＭＯやＷは結晶単位胞
が体心立方格子（ｂｅｅ）を構成する。上記の従来の方
法で形成されたＭｏ膜やＷ膜は、ムどしぽ佑先盾孜勺支
匈て１に示されてい・るように、体心立方格子の最稠密
面（１１０）を基板に平行にした（１１０）に配向した
膜構造を有していた。

〈発明が解決しようとする問題点〉 上述のように（１１０）に配向した膜構造では、最稠密
面（１１０）は、基板表面と平行であると共に、基板表
面に対し垂直ともなっている。したがって、この膜構造
を有する高融点金属膜を半導体集積回路のゲート電極や
配線に用いるため、エツチングによシバタン形成を行な
うと、バタン側壁が垂直若しくは第１図に示すようなオ
ーバハング状になシやすい。ただし、第１図６１は基板
、２はＭＯのバタン、３はバタン側壁である。すなわち
、最稠密面は原子密度の最つとも高い結晶格子面であシ
、エツチング速度が他の面に比べ最つとも小さいためで
ある。

バタン側壁が、上述したような垂直ないしオーバハング
状では、上層にさらに層間絶縁膜や配線を形成する場合
、段差被覆性が悪く、絶縁不良や断線を生じやすく、歩
留シ低下の原因となる欠点があった。

本発明は、従来の（１１０）に配向した膜構造を有する
高融点金属膜のバタン形成において生じる上層の層間絶
縁膜等に対する段差被覆時の欠点を除くためになされた
ものであって、良好な段差被覆性を実現しうるバタン形
成可能な高融点金属膜形成法を提供するものである。

く問題点を解決するための手段〉 本発明者等は、結晶単位胞が体心立方格子を構成するＭ
ＯやＷ等の高融点金属膜について実験を重ねる過程で、
ネオン（Ｎｅ　）をスパッタガスとしてＭｏ膜やＷ膜を
スパッタ法で形成すると（１１Ｄに配向した膜構造が得
られるという事実を発見した。（１１１）に配向した膜
構造では最稠密面（１１０）が基板表面に垂直にならな
い事実から本発明を完成することができた。

すなわち、上記問題点を解決する本発明の第１は、Ｎｅ
をスパッタガスに用いて（１１０）と異なる配向を有す
る膜構造の高融点金属膜を形成することを特徴とするも
のである。

本発明の第２Ｆｉ、＜１１０〉と異なる配向を有する膜
構造の高融点金属膜を形成するにおいて、膜形成の初期
のみＫＮｅをスパッタガスに用いて高融点金属膜を形成
することを特徴とするものである。

七して、これらの第１の発明および第２の発明における
高融点金属は、結晶単位胞が体心立方格子を構成する高
融点金属であって、その例示物としてクロム（Ｃｒ）、
バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（’ｌ’
ａ）、−ｖ−リブデｙ（Ｍｏ）およびタングステン（Ｗ
）等や、これらを主成分とする合金を挙げることができ
る。

〈作用〉 以上のように本発明の高融点金属膜は、〈１１０〉と異
なる配向を有する膜構造であるので、最稠密面（１１０
）は基板表面と垂直とならないため、エツチングによる
バタン形成においてバタン側壁は垂直とならず、最稠密
面の影響を受けたテーパ状とできる。

Ｎｅをスパッタガスとして用いると、〈１１０〉と異な
る配向を有する膜構造が得られる理由は、以下のように
考えられる。ＮｅはＡｒに比べ質量が小さいため、その
イオンをＡｒと同一の加速電圧で加速し、ターゲット（
高融点金属材料）に衝突させでも、スパッタされた金属
原子のエネルギはＮｅの場合の方がＡｒの場合に比べ小
さい。

さらに、スパッタ法ではスパッタされた金属原子はスパ
ッタガスとの衝突によりエネルギを失ないつつ基板に到
達する。この結果、Ｎｅでスパッタされた金属原子は、
Ａｒでの場合に比べ、基板表面に到達したときのエネル
ギが小さく、シたがって基板表面での移動度が小さいこ
とになる。この結果、最稠密面を形成しに〈＜、原子密
度の小さい結晶格子面が基板表面に形成されるためと考
えられる。

また、膜形成の初期のみＮｅをスパッタガスに用いる理
由は、同一電力ではＮｅでの場合の膜形成速度がＡｒの
場合より小さいという欠点を除くことにある。すなわち
、膜形成の初期にＮｅをスパッタガスとして、＜１１０
〉と異なる配向の膜構造を形成すれば、その後、どの様
な膜形成条件を用いても、初期の膜構造をひきついだ膜
構造を実現できるという事実に基づく。したがって、膜
形成の後半では膜形成速度の大きいＡｒを用いれば、全
体としての膜形成速度を従来のＡｒに近づけることがで
きる。つま夛膜形成速度を犠牲にすることなく、目的と
する（１１０）と異なる配向の高融点金属膜を形成でき
る。

〈実施例〉 つぎに、実施例および比較例に基づいて、本発明の内容
を具体的に説明する。

実施例１ ５インチ×１５インチのＲＦプレナマグネトロン電極を
有するスパッタ装置により　、Ｍｏ膜を形成した。ター
ゲットには純度９９．９％以上のＭｏ板を用いた。基板
には、膜厚０．３μｍの熱酸化膜を形成し＆　（Ｚｏｏ
）　Ｓｉウェハを用いた。スパッタガスには高純度Ｎｅ
を用いた。

約２Ｘ１０−４Ｐａ以下に真空排気したのち、スパッタ
ガスＮｅを導入し、スパッタ電力２　ｋＷで膜厚的０．
５μｍ　ＯＭｏ膜を基板上に形成した。ζこでは基板を
１　Ｏｒｐｍで回転させているので、Ｍ。

膜は間欠的に堆積している。基板とターゲットの距離は
対向した位置で約５０ｍｍである。なお、基板加熱は行
なわなかった。

形成し７’ＣＭｏ膜の構造をＸ線回折法（ＸＤ）と反射
電子線回折法（ＲＨＥＥＤ）で調べた。第２図は、Ｘ線
回折法で得られた結晶格子面（２２２）からの回折ピー
ク強度と（１１０）からの回折ピーク強度との比のスパ
ッタガス圧依存性を示す。結晶単位胞が体心立方格子で
あるＭｏでは（１１１）からの回折は消滅側によシ見ら
れないので、高次の結晶格子面である（２２２）からの
回折を観察した。

ＡＳＴＭカード（Ａｍｅｒｉｃａｎ　５ｏｃｉｅｔｙ　
ｆｏｒＴｈｓｔｉｎｇａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ編纂
の粉末試料のＸ線回折データ集）の配向のない粉末ＭＯ
では（２２２）と（１１０）の回折ピーク強度比は０．
０７（第２図−〇であるが、Ｎｅをスパッタガスとして
形成した本実施例のＭｏ膜では、スパッタガス圧約Ｉ　
Ｐａ以上で、堆積直後（第２図めち）およびＮ、中１０
００℃２０分の熱処理後（第２図−〇）共、この強度比
を越え、＜１１１〉への配向を示している。特に熱処理
後では、ＭＯの再結晶化によ・り＜１１１＞への配向が
顕著になっている。また、反射Ｘ線回折像でも、スパッ
タガス圧約ＩＰａ以上で形成したＭｏ膜で（１１１）へ
の配向を示した。

一方、Ａｒをスパッタガスとして、スパッタ電力２　ｋ
Ｗおよび１　ｋｌで、同一スパッタガス圧範囲において
Ｍｏ膜を形成したところ、ＸＤでの（２２２）と（１１
０）の回折ピーク強度比は０．０７以下であｊ５、（１
１０）への配向であった。スパッタ電力１ｋＷは、スパ
ッタ電力２　ｋＷのＮｅの場合と同一膜形成速度である
。

以上の事から、Ｎｅをスパッタガスとして用いると、ス
パッタガス圧約１　ｐａ以上で＜１１１＞Ｋ配向したＭ
ｏ膜が得られることが分かる。ちなみにスパッタガス圧
約Ｉ　Ｐａ未満で拡Ａｒでの場合と同様（１１０）に配
向したＭｏ膜となる。スパッタガス圧によシ、配向が変
化するのは、前述の要因において、スパッタガスとの衝
突によるエネルギ損失も重要であるためと考えている。

以上はＮｅ１Ｏ’Ｏチでの結果であるが、Ｎｅを８０優
以上含む混合ガスでも同様の結果を得た。

また、（１１１）に配向したＭｏ膜をＣＣ１ｆｆ１Ｆ、
とＯ。

との１：１混合ガスにより平行平板形プラズマエツチン
グ装置でバタン形成したところ、第３図に示すようにバ
タン側壁の基板とのなす角９が約７０’のテーパ状に加
工できる利点があった。

なお第３図は、Ｎｅをスパッタガスとして形成した（１
１１）に配向したＭｏ膜のバタン断面模式図で７は基板
、８は第のバタンである。この角度はＭｏ単結晶で計算
される（１１１）と（１１０）のなす二つの角度約３５
°と約５５°とはずれているが、これは膜内で（１１０
）の方向がランダムであるためである。

また、〈１１１〉に配向したＭｏ膜は過酸化水素水で酸
化したのち、アルカリ液で酸化したＭＯを除去するウェ
ットエツチング法でもバタン側壁をテーパ状に加工でき
た。

実施例２ 実施例１と同一の装置を用い、Ｎｅをスパッタガスとし
てＭｏ膜を形成したのち、Ａｒをスパッタガスとしてさ
らにＭｏ膜を追加形成し友。スパッタガス圧は約Ｉ　Ｐ
ａ、スパッタ電力は２　ｋＷとした。

Ｍｏ膜の全膜厚は約０．５μｍとし、Ｎｅでその約１／
３を、Ａｒで残シを形成した。この結果、Ｍｏ膜は、実
施例１のＮｅのみで一様に形成した場合と同様、（１１
１）の配向を示した。また、このＭｏ膜でバタン形成し
たところ、実施例１と同様、バタン側壁をテーパ状に加
工できる利点があった。

一方、ＮｅとＡｒの順序を逆にした場合には、Ａｒのみ
で形成したと同様（１１０）に配向したＭｏ膜が得られ
た。

実施例３ 実施例１と同一の装置を用い、Ｎ１５をスパッタガスと
してスパッタガス圧約Ｉ　Ｐａ、スパッタ電力２　ｋＷ
でＷ膜を形成した。この結果（１１１）に配向し九Ｗ膜
が得られた。また、とのＷ膜をバタン形成したところ、
実施例１と同様バタン側壁をテーパ状に加工できる利点
があった。

一方、同一条件でＡｒをスパッタガスとして形成したＷ
膜は（１１０）への配向を示した。

本発明の要点は質量の小さいＮｅをスパッタガスに用い
ることによシ、スパッタされた金属原子のエネルギを小
さくすることによシ、基板表面での金属原子の移動度を
小さくシ、最稠密面を基板上に形成しＫ＜くすることに
ある。

したがって、基板表面での金属原子の移動度を小さくで
きれば、本発明の適用できる金属はＭｏ、Ｗに限られる
ことはない。基板表面での金属原子の移動度は金属の溶
融温度と基板温度の差が大きい程小さいと考えられる。

し九がって、本発明は他の高融点金属や高融点金属を主
成分とする合金に適用しうる。たとえば、クロム（Ｃｒ
）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）およびタンタル
（Ｔａ　）はｂＣＣ構造の高融点金属であるので、本発
明が、Ｍｏ　、　Ｗの場合と全く同様に適用できること
は明らかである。

さらにスパッタ装置についても、実施例で述べたＲＦプ
レナマグネトロン方式に限ることなく、上記スパッタ方
法の条件を満足すれば、他の方式のスパッタ装置たとえ
ばＤＣダイオード方式、ＤＣマグネトロン方式、イオン
ビームスパッタ方式等のスパッタ方式も本発明に適用で
きることは明らかである。

基板温度についても、上記要件を満たす範囲で任意の値
を用いうる。

また、膜の配向は、膜形成の初期段階で決まるため、膜
形成の途中から、形成法たとえばスパッタガスを変えて
も、配向は変化しない。このとき、初期段階の比率は実
施例で述べた値に限定されないことは明らかである。

〈発明の効果〉 以上の説明から明らかなように、Ｎｅとスパッタガスと
して形成した（１１１）に配向するＭｏ膜、Ｗ膜等では
バタン形成において、バタン側壁をテーパ状に加工でき
るので、上層の眉間絶縁膜や配線の段差被覆性を改善し
、歩留シ低下を防止できる利点がある。

また、同一電力では、Ｎｅでの膜形成速度はＡｒでの場
合の約１７２であるが、膜形成の初期のみＮｅを用いれ
ばよく、膜形成速度を犠牲にすることなく、所望の配向
を有する膜を形成できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の高融点金属膜形成方法で成膜したＭｏ膜
にバタン形成したときの膜断面模式図、第２図は本発明
の高融点金属膜形成方法で成膜したＭｏ膜のＸ線回折で
得られた結晶格子面（２２２）からの回折ピーク強度と
（１１０）からの回折ピーク強度との比のスパッタガス
圧依存性を示す特性図、第３図は本発明の高融点金属膜
形成方法によシ形成した〈１１１〉に配向し７’ＣＭＯ
膜にバタン形成したときの膜断面模式図である。 図面中、 １・・・基板、 ２・・・ＭＯ膜のバタン、 ３・・・バタン側壁、 ４・・・ＡＳＴＭカードの配向のない粉末Ｍｏの（２２
２）と（１１０）の回折ピーク強度比、５・・・堆積直
後の（２２２）と（１１０）の回折ピーク強度比、 ６・・・１０００℃２０分の熱処理後の（２２２）と（
１１０）の回折ピーク強度比、

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）高融点金属膜のスパッタ法による形成において、
   ネオンをスパッタガスとして用いることを特徴とする高
   融点金属膜形成方法。
2. （２）高融点金属膜のスパッタ法による形成において、
   該膜の形成初期にネオンをスパッタガスとして用いるこ
   とを特徴とする高融点金属膜形成方法。
3. （３）高融点金属として、クロム、バナジウム、ニオブ
   、タンタル、モリブデンおよびタングステンからなるグ
   ループ中から選んだ一種またはこれらを主成分とする合
   金を選んだことを特徴とする特許請求範囲第（１）項又
   は第（２）項記載の高融点金属膜形成方法。