JPH0375361A

JPH0375361A - スパッタリング成膜方法

Info

Publication number: JPH0375361A
Application number: JP1210147A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Murata; 秀明村田; Takaharu Yonemoto; 米本　隆治; Kenichi Sano; 謙一佐野; Takashi Ebisawa; 孝海老沢; Taiichi Mori; 泰一森; Tsugio Miyagawa; 宮川　亞夫
Original assignee: RAIMUZU KK
Current assignee: RAIMUZU KK
Priority date: 1989-08-16
Filing date: 1989-08-16
Publication date: 1991-03-29

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、特に１μｍ以上程度の薄膜を形成する際に用
いられるスパッタリング成膜方法に関する。

［従来の技術と課題］従来、半導体装置の製造、高機能薄膜の研究、あるいは
金属の表面改質等において、イオン粒子等のスパッタリ
ング作用を応用したスパッタリング薄膜形成装置が盛ん
に使用されている。ところで、近年ＬＳＩに利用される
薄膜では歪みの少ないことが要求されつつある。又、金
属表面改質への応用では膜厚として１μｍ以上が要求さ
れることが多いので、クラックの発生や剥離防止のため
歪みの小さい薄膜を作製することは極めて重要である。

最近、スパッタリングによって形成された薄膜の一般的
な性質が研究されている。内部応力についてみれば、ス
パッタガス圧力依存性は第４図（成膜速度ｒ＋’＋ＪＥ
板バイアス電圧０．ターゲット・基板間距離り、）で、
成膜速度依存性は第５図（スパッタガス圧力ＰＬ、基板
バイアス電圧Ｏ。

ターゲット・基板間距離り、）で、基板にかけるバイア
ス電圧依存性は第６図（スパッタガス圧力Ｐ　ｌ　＋成
膜速度ｒ０．ターゲット・基板間距離り、）で、ターゲ
ット基板間距離依存性は第７図（スパッタガス圧力Ｐｌ
、成膜速度ｒ９．ターゲット・基板間距離り、）で表わ
されることは周知の事実である。第４図より、僅かなス
パッタガス圧力の変動で引張りまたは圧縮の内部応力が
かかりやすい事が明らかである。第５図より、僅かな成
膜速度の変動で引張りまたは圧縮の内部応力がかかりや
すい事が明らかである。第６図より、僅かな基板バイア
ス電圧の変動で引張りまたは圧縮の内部応力がかかりや
すい事が明らかである。第７図より、僅かなターゲット
基板距離の変動で引張りまたは圧縮の内部応力がかかり
やすい事が明らかである。こうしたことから、内部応力
を小さくするためには狭い成膜条件の範囲内に厳密に制
限した成膜が必要である。また、内部応力σと膜厚ｄの
積は単位幅当りの力とか全応力と呼ばれ、下地のたわみ
に比例し種類等によらない量である。

しかし、この単位幅当りの力（全応力）の膜厚依存性は
、例えば「応用物理、第５７巻第１２号（１９８８）、
ｐ１８５６〜１８６７）　Ｊから明らかのように、膜厚
に伴なって次第に増加する。しかも、上記のような内部
応力σとスパッタリング薄膜の膜厚ｄとの関係は後述す
る第８図に示す通りであり、単位幅当りの力（全応力）
σ・ｄと膜厚の関係は第９図に示す通りである。

このように、内部応力を小さい値に抑えておくには厳密
な成膜条件の制限が必要である。しかし、内部応力は膜
厚の増加によって僅かしか変化しないが、単位幅当たり
の力（全応力）は膜厚の増加に伴なって著しく大きくな
っていく。そして、単位幅当たりの力（全応力）の増大
に伴い、膜を厚く付けるとクラックが生じたり剥離しや
すくなりやすい。また、内部応力は薄膜成長の機構等と
複雑に結びついており、例えば第４図に基づいてスパッ
タガス圧を内部応力がゼロになる付近で周期的に変化さ
せるというような単純な方法では十分な改善はなされな
かった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、薄膜の単位
幅当りの力（全応力）を小さい範囲に抑え、剥離（脹れ
）やクラック（ひび割れ）の生じにくい薄膜を作製しえ
るスパッタリング成膜方法を提供することを目的とする
。

［課題を解決するための手段］本発明は、真空槽と、この真空槽内に配置されたターゲ
ットと、前記真空槽内券瞥會がセットされる試料台とを
具備したスパッタリング装置を用いて前記基板主面にス
パッタリング成膜を形成する方法において、成膜中、前
記基板にかけるバイアス電圧、タラゲットと基板間の距
離、成膜速度、あるいはスパッタガス圧力の少なくとも
いずれかを変化させることを特徴とするスパッタリング
成膜方法゛である。

［作用］本発明において、薄膜の単位幅当たりの力（全応力）を
常に小さくしておくためには製膜開始から所望する膜厚
まで一定の条件で成膜せずに、成膜中に膜厚に応じてス
パッタガス圧、成膜速度、バイアス電圧、ターゲット・
基板間の距離の少なくとも一つを変化させればよい。つ
まり、薄膜を剥離やクラックのないようにするためには
単位幅当たりの力（全応力）を許される範囲内に抑えて
おけばよいので、所望する膜厚まで一定の条件とせず、
何回に分けて条件を変えて成膜したり、予め設定した膜
厚に達したら成膜条件を変化させるようにして、成膜条
件に応じて引っ張り力を有する層と圧縮力を有する層が
交互に積み重ねるようにすれば良い。これにより、薄膜
全体の単位幅当たりの力（全応力）を小さな範囲内にす
ることができ、その結果剥離や割れを回避できる。

更に、相反する力をもつ層間の結晶学的構造や応力の遷
移の急峻性は、成膜条件の変化のさせかたを滑らかにす
る事によって最適化を図る事もできる。

以下、本発明の実施例について説明する。

［実施例１］第１図は、本発明に係る２極マグネトロンスパツタ装置
の説明図である。

図中の１は真空槽で、図示しない排気系によって真空排
気がなされる。前記真空槽１の排気系側（下部側）には
、ターゲット２が配置されている。

前記真空槽１の上部側には、接地に対して電位を変化さ
せることのできる試料台３が前記ターゲット２の主面と
平行に配置されている。前記試料台３の下部には、基板
（商品名コーニング７０５９ガラス、コーニング社製）
４がセットされている。前記ターゲット２と試料台３間
には、シャッター５が配置されている。このシャッター
５は、前記基板４に成膜を開始する前に、ターゲット２
からの飛来粒子が前記基板４に堆積するのを防止する働
きを有する。

前記真空槽１の上部には、前記試料台３を上下させる上
下駆動機構６が設けられている。この上下駆動機構６が
上下に駆動することにより、基板４が上下し、ターゲッ
ト２と基板４間の距離が変化する。前記上下駆動機構６
にはデジタルアナログ変換器（Ｄ／Ａ）７が電気的に接
続されている。

また、前記試料台３と前記変換器７間には、両極性直流
電源８が接続されている。この直流電源８は、前記試料
台３の電位を変化させる働きを有する。

前記真空槽１の側壁には、タンク９中のスパッタガス例
えばＡｒガスｌＯの流量を制御するマスフローコントロ
ーラ（ＭＦＣ）１１が設けられている。

ここで、排気系のＡ「ガスの排気量は一定であるので、
ＭＦＣｌｌからのガス流量を大きくすればスパッタガス
圧が大きくなり、Ａｒガスの流量を小さくすればスパッ
タガス圧が小さくなる。前記ＭＦＣＩＩにも、前記変換
器７が接続されている。

前記ターゲット２と前記変換器７は、スパッタ用電力源
１２を介して電気的に接続されている。ここで、スパッ
タ用電力源１２の出力を大きくすれば成膜速度が大きく
なり、スパッタ用電力源１２の出力を小さくすれば成膜
速度は小さくなる。前記変換器７より、上下駆動機構６
、前記両極性直流電源８、マスフローコントローラ１１
及びスパッタ用電力源１２にターゲットと基板の距離、
バイアス電圧。

Ａ「ガスの圧力、成膜速度を調節する信号が送られる。

前記変換器７には、前記信号を制御するマイクロコンピ
ュータ１３が接続されている。

本実施例１では、第１図図示の装置を用い、スパッタガ
スとしてはＡｒガスを用いた。そして、０．２５μｍ成
膜するごとに前記マスフローコントローラ１１によりＡ
ｒガスの圧力を変化させ（第３図図示）、圧縮力がかか
った層と引っ張力がかかった層を交互に形成し、前記基
板４に総厚５μｍのＴｉｌ３２薄ＷＩ４（スパッタリン
グ薄膜）を成膜した。

実施例１によれば、真空槽１の側壁にマスフローコント
ローラ１１を設け、０，２５μｍ成膜するごとに前５己
マスフローコントローラ１１１こよりＡｒガスの圧力を
変化させて基板４１：ＴｉＢ、薄膜を成膜するため、最
終的に剥１ＭやクラックのないＴｉＢ、薄膜を得る事が
できる。事実、上記条件でいくつかの基板について適当
な膜厚のＴｉＢ２薄膜を形成した後、基板を取り出し、
基板の反りを測定して単位幅当りの力（全応力）を求め
たところ、第３図に示す特性図が得られた。同図より、
全応力が±０．５　Ｋ　ｇ　ｆ　／ｃｍ程度の小さい範
囲内に抑さえられている事が明らかである。

Ｃ実施例２〕本実施例２では、０．２５μｍ成膜するごとに成膜速度
を変化させ、前記基板４に総厚５μｍのＴｉＢ、薄膜を
成膜した。この実施例２によれば、実施例１と同様な効
果を得ることができる。

［実施例３］本実施例３では、０ｏ２５μｍ成膜するごとに両極性直
流電源８によりバイアス電圧を変化させ、前記基板４に
総厚５μｍのＴｉＢ２薄膜を成膜した。

なお、実施例３では薄膜との導通をとるように基板４の
縁に銅を薄くコーティングした。実施例３によれば、実
施例１と同様な効果を得ることができる。

［実施例４］本実施例４では、０．２５μｍ成膜するごとに上下駆動
機構６によりターゲット２と基板４間に距離を変化させ
、前記基板４に総厚５μｍのＴｉＢ２薄膜を成膜した。

この実施例４によれば、実施例１と同様な効果を得るこ
とができる。

［実施例５］本実施例５では、０．２５μｍ成膜するごとにＡｒガス
を圧力を第２図に示すように変化させながら、前記基板
４に総厚５μｍのＴｉＢ２薄膜を成膜した。この実施例
５によれば、実施例１と同様な効果を得ることができる
他、成膜条件の変化に伴う膜組織の変化がゆるやかな薄
膜が形成された。

〔比較例〕

２極マグネトロンスパツタ装置を用いて、基板にＴｉＢ
２薄膜２１を成膜し、基板の反りを測定して薄膜の内部
応力σを求めたところ、第８図に示す結果が得られた。

また、比較のため膜厚ｄと全応力σ・ｄとの関係も求め
たところ、第９図に示すような特性図が得られた。第８
図より、膜厚が増加しても内部応力があまり変化しない
ことが明らかである。一方、第９図より、全応力は膜厚
の増加に伴って著しく変化することが明らかである。

但し、両図において、直線（イ）はＡｒガス圧５　ｍ　
Ｔ　ｏｒｒの場合、直Ｉ！（ロ）はＡ「ガス圧５　ｍ　
Ｔ　ｏｒｒの場合である。また、（イ）、（ロ）ともに
、成膜速度１１．５λ、基板バイアスＯｖ１ターゲット
基板間５０ｓｖである。ちなみに、薄膜の厚みが１．８
μｍの場合は第１Ｏ図に示す如く剥離２２が生じ、薄膜
の厚みが２．０μｍの場合は第１１図に示す如くひび割
れ２３が生じた。

なお、上記実施例では、基板としてコーニング７０５９
ガラスを用いた場合について述べたが、これに限らず、
銅等の金属板を用いた場合について上記各実施例と同様
な効果が得られる。

また、上記各実施例では、スパッタガス圧力。

成膜速度、基板にかけるバイアス電圧、ターゲットと基
板間の距離を夫々単独で変化させた場合について述べた
が、これに限らず、各変動ファクターを複数個任意に組
合わせて変化させてもよい。

［発明の効果］以上詳述した如く本発明によれば、薄膜の単位幅当りの
力（全応力）を小さい範囲に抑え、剥離（脹れ）やクラ
ック（ひび割れ）の生じにくい薄膜を作成しえる信頼性
の高いスパッタリング成膜方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る２極マグネトロンスパツタ装置の
説明図、第２図は本発明の実施例５に係る膜厚とＡ「ガ
ス圧との関係を示す特性図、第３図は膜厚と全応力、Ａ
ｒガス圧との関係を示す特性図、第４図はスパッタガス
圧力と膜中応力との関係を示す特性図、第５図は成膜速
度と膜中応力との関係を示す特性図、第６図は基板バイ
アス電圧と膜中応力との関係を示す特性図、第７図はタ
ーゲット・基板間距離と膜中応力との関係を示す特性図
、第８図は膜厚と内部応力との関係を示す特性図、第９
図は膜厚と全応力との関係を示す特性図、第１０図及び
第１１図は夫々従来技術の欠点を説明するための基板の
断面図である。１・・・真空槽、２・・・ターゲット、３・・・試料台
、４・・・基板、５・・・シャッター　６・・・上下駆
動機構、７・・・デジタルアナログ変換器、８・・・両
極性直流電源、９・・・タンク、１０・・・スパッタガ
ス、１１・・・マスフローコントローラ、１２・・・ス
パッタ用電力源、１３・・・マイクロコンピュータ。第１図

Claims

【特許請求の範囲】

　真空槽と、この真空槽内に配置されたターゲットと、
前記真空槽内に配置された基板がセットされる試料台と
を具備したスパッタリング装置を用いて前記基板主面に
スパッタリング薄膜を形成する方法において、成膜中、
前記基板にかけるバイアス電圧，タッゲットと基板間の
距離、成膜速度、あるいはスパッタガス圧力の少なくと
もいずれかを変化させることを特徴とするスパッタリン
グ成膜方法。