JPH049866B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、膜を堆積させた後に、加速させたイ
オンを注入することによつて膜の内部応力を低減
する方法に関するものである。膜の内部応力を低
減すること、並びに低減させる過程で内部応力を
所定の値に精密に制御することは、特に半導体集
積回路、Ｘ線リソグラフイー用マスク等の製造に
必須の技術であり、本発明はこのような利用目的
に適した応力低減の方法を実現するものである。

［従来の技術］ 基板表面に堆積させた膜は、一般に大きな内部
応力を有している。膜を堆積させる方法として、
CVD法およびスパツタ法が用いられることが多
い。これらの方法で堆積させた膜は、一般に大き
な内部応力を残留させている。CVD法のなかで
も、減圧および常圧CVD法は熱反応によつて堆
積を起こさせるため、これらの方法で堆積させた
膜は、膜固有の内部応力のほかに熱応力も残留さ
せている。したがつて、膜の堆積手段としては、
低温で堆積が可能なプラズマCVD法およびスパ
ツタ法が好まれている。低温で膜を堆積させるこ
とは、デバイス特性維持のためにも必要である。
しかしながら、これらの低温堆積方法において
も、膜固有の大きな内部応力が膜中に残留するこ
とは避けられない。

従来、膜の内部応力の低減化は、堆積時の堆積
条件を変化させることによつて行われてきた。例
えば、高周波スパツタ（以下rfスパツターとい
う）においてはスパツタガス圧力および高周波パ
ワー等（以下rfパワー等という）の装置パラメー
ターを変化させることによつて膜応力を低減させ
てきた。プラズマCVD法においては、rfパワー、
反応ガス組成、反応ガス圧力、堆積時の基板温度
等の装置パラメーターを変化させることによつ
て、膜応力を低減させてきた。

しかし、堆積条件を変化させることによつて膜
の内部応力を低減させる従来の方法には、次に述
べる欠点があつた。その第一は、所定の内部応力
を有する膜を、制御性良くかつ再現性良く得るこ
とが困難なことである。このことは、堆積条件を
決定するパラメーターが複数個あるために、それ
ぞれのパラメーターを最適化し、かつ堆積条件を
恒常的に一定に保つことが困難であることに起因
する。たとえば、熱CVD法では、反応ガス組成
および堆積温度によつて膜の内部応力が決定され
るが、これらの反応条件を一定に保つことが困難
であるため所定の応力を持つ膜を得ることは非常
に難しい。プラズマCVD法およびスパツタ法に
おいては、プラズマ状態を恒常的に一定に保持す
ることが要求されるが、この要求を満たすために
は、ガス組成、ガス圧力、rfパワーおよび堆積温
度等の堆積条件を常に一定に保たねばならない。
しかしながら、これらの堆積条件を一定に保つこ
とは非常に困難であり、したがつてプラズマ状態
を一定に保つことは極めて難しい。プラズマ状態
の変動は膜の内部応力について良好な再現性が得
られない原因となる。

第二の欠点は、所定の応力を有する膜を得よう
とすると、所定の膜質を持つ膜が堆積条件の範囲
で得られない場合があることである。すなわち、
所定の応力を持つ膜を得るためには、膜の組成を
変化させたり、あるいは膜構造自体を変化させね
ばならない場合がある。膜組成を変化させる例と
しては、プラズマCVD法において、窒化けい素
（Si_xN_yH_z）を堆積させる場合、引張応力の小さ
な膜を得ようとするとSiを多く含んだ組成としな
ければならないが、この場合には化学量論に近い
組成（Si₃N₄）を持ち、かつ小さな引張応力の膜
を得ることはできない。また、膜構造自体を変化
させる例として、スパツタ法により堆積させた金
属膜があげられる。スパツタ法は金属膜の堆積に
広く用いられている。しかしながら、スパツタ法
で堆積させた金属膜は一般に圧縮応力をもち、特
に高融点金属膜およびその化合物膜は、大きな圧
縮応力を残留させている場合が多い。応力を低減
させるために堆積条件を変化させると、膜構造が
変化してしまうことが珍しくない。例えばスパツ
タ条件を適切に選択することによつて、アモルフ
アス状態の窒化タングステン膜を堆積させること
ができるが、アモルフアス状態の膜は１×
10¹⁰dyn／cm²の大きな圧縮応力を持つ。しかしな
がら、応力を低減させるためにスパツタ条件を変
化させると結晶化してしまい、アモルフアス状態
の膜を得ることはできない。

膜を堆積させた後に、アニーリングを行うこと
によつても膜応力を低減させることができる。し
かし、この方法は制御性に乏しいうえに、アニー
リングによつて新たに膜質が変化したり、熱歪が
生じるために実用性に欠ける。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記のように、従来の方法は膜の堆積条件によ
つて膜の内部応力を制御するものであるため、制
御性良く膜の内部応力を低減させることができな
い。また従来方法では、所定の膜質を持ち、かつ
所定の膜の内部応力を持つ膜が得られるとは限ら
ない。本発明の目的はこれら従来法の欠点を解消
し、低温で制御性および再現性良く膜の内部応力
を所望の値に低減させることができる方法を提供
することにある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は上記の目的を達成するためになされた
ものであつて、本発明の膜の内部応力低減方法に
よれば、基板上に堆積した膜に加速したイオンを
注入し、前記膜中に前記イオンを存在させること
により前記膜の内部応力を低減することを特徴と
している。

本発明の方法は、堆積膜のすべてに適用可能で
あつて、そうした堆積膜の具体例としては、スパ
ツタ法によつて堆積させたタングステン膜、タン
タル膜、窒化タングステン膜および窒化タンタル
膜のほか、プラズマCVD法によつて堆積させた
窒化珪素膜および窒化ホウ素膜等を挙げることが
できる。

イオン注入は加速したイオンを堆積膜に照射す
ることで行われ、加速したイオン発生機として
は、たとえば、コツククロフトワルトン型加速器
等が一般に使用される。このときのイオン種は任
意に選択できるが、膜への不純物混入を避ける意
味で、膜の構成元素と同じイオン種を選ぶことが
好ましい。

［作用］ 本発明は、大きな内部応力を有する膜にイオン
注入を行うと、膜の内部応力が低減するという事
実に基づく。

第１図は、本発明方法の概念図で、基板１上に
形成された堆積膜２に加速されたイオン３が照射
されている状況を示す。膜中に注入されたイオン
は、膜を構成する原子と衝突し、エネルギーを失
う過程において、膜の内部応力を減少させる方向
に膜の微視的状態を変化させる。そして、注入さ
れたイオンが膜中に存在するようにイオンの注入
条件を選ぶことにより、膜の内部応力の低減が最
も効果的におこなわれる。これは本作用が物理的
な機構に基づいており、イオンが膜中に停止する
直前に最も効果的にエネルギーを放出し、膜の微
視的状態を変化させる作用が大きいためである。
この作用によつて膜内部の残留応力が低減する。

本発明の膜の内部応力低減方法によれば、膜の
内部応力が圧縮応力である場合及び引張応力であ
る場合の両方の場合において、膜の内部応力を所
定の値にまで低減することができる。本作用は物
理的であるため、大きな内部応力を残留させてい
る膜に広範囲に適用できる。特に有効であるの
は、膜の厚さ方向に対してイオンの放出エネルギ
ー分布が一様になるよう、イオンのエネルギーを
選択する場合である。このようにイオンのエネル
ギーを選択することによつて、膜の厚さ方向の内
部応力分布を一様にすることができる。

本発明の方法による内部応力減少の過程は、イ
オン注入量に依存し、イオン電流に依存しない。
したがつて、膜の応力を低減させるために必要な
パラメーターはイオン注入量一つであり、そのイ
オン注入量は精密に制御できる量であるために、
精密に内部応力の低減を容易に行うことができ
る。また、低温で内部応力を低減させるために熱
歪みも生じない。

本方法を行うことによつても、膜質をほとんど
変化させることなしに所定の応力にまで膜の内部
応力を低減させることができる。このため、膜形
成に際しては、最適な膜質をうるうえで必要な堆
積条件を選択することができる。そして、所定の
膜質を得た上で、イオン注入によつて内部応力を
減少させれば良い。すなわち、本発明の方法によ
れば、従来方法では得ることが困難であつた所定
の膜質および所定の応力を共に満たした膜を得る
ことができる。また、堆積条件の再現性の悪いこ
とに起因する膜の内部応力のばらつきを、イオン
注入によつて平均化させることもできる。さら
に、膜の内部応力を測定しながら、膜の内部応力
を低減させることも可能となる。

［実施例］ (1) Si基板上にアモルフアス窒化タングステン膜
をrfスパツタによつて形成した。スパツタガス
は、アルゴン39.0sccm（標準状態CC／分）およ
び窒素7.6sccmを混合して用いた。スパツタ条
件は、rfパワー300Wスパツタガス圧力５ｍ
Torrである。堆積温度は室温である。膜厚は
0.70μｍであつた次に膜表面の清浄化を行つた
後、室温で加速エネルギー400keVイオン電流
10μAのN⁺イオンを注入した。第２図に示した
ように、イオン注入前に1.07×10¹⁰dyn／cm²の
圧縮応力を持つ膜にイオン注入を行つた結果、
注入量とともに応力が急激に減少し7.5×
10¹⁶ions／cm²以上の注入量において膜応力を零
にすることができた。イオン注入によつて膜は
結晶化することはない。上記の効果はNe⁺を注
入した場合にも同様に得ることができた。

(2) Si基板上にタングステン膜をrfスパツタによ
つて形成した。スパツタガスはアルゴンを用い
た。流量は45.0sccmである。スパツタ条件はrf
パワー500W、スパツタガス圧力５ｍTorrであ
る。堆積温度は室温である。膜厚は0.55μｍで
あつた。次に膜表面の清浄化を行つた後、室温
で加速エネルギー400keVイオン電流10μAの
N⁺イオンを注入した。第３図に示したように
イオン注入前に2.11×10¹⁰dyn／cm²の圧縮応力
を持つ膜にイオン注入を行い、圧縮応力を減少
させることができた。上記の結果はNe⁺を注入
した場合にも同様に得ることができた。

(3) Si基板上に窒化タンタル膜をrfスパツタによ
つて形成した。スパツタガスは、アルゴン
44.0sccmと窒素2.4sccmを混合して用いた。ス
パツタ条件は、rfパワー500W、スパツタガス
圧力５ｍTorrである。堆積温度は室温である。
膜厚は0.62μｍであつた。次に膜表面の清浄化
を行つた後、室温で加速エネルギー400keV、
イオン電流10μAのN⁺イオンを注入した。第４
図に示したようにイオン注入前に1.72×
10¹⁰dyn／cm²の圧縮応力を持つ膜にイオン注入
を行い、圧縮応力を急激に減少させることがで
きた。上記の結果はNe⁺を注入した場合にも同
様に得ることができた。

(4) Si基板上にタンタル膜をrfスパツタによつて
形成した。スパツタガスは、アルゴンを用い
た。流量は45.0sccmである。スパツタ条件は、
rfパワー300W、スパツタガス圧力５ｍTorrで
ある。堆積温度は室温である。膜厚は0.65μｍ
であつた。次に膜表面の清浄化を行つた後、室
温で加速エネルギー400keV、イオン電流10μA
のN⁺イオンを注入した。第５図に示したよう
にイオン注入前に1.38×10¹⁰dyn／cm²の圧縮応
力を持つ膜にイオン注入を行い、圧縮応力を減
少させることができた。上記の結果はNe⁺を注
入した場合にも同様に得ることができた。

(5) Si基板上にプラズマCVD法によつてアモル
フアスSiN膜を堆積させた。堆積条件は、
SiH₄6.0sccm、N₂90.0sccm、rfパワー100W、
堆積温度200℃、反応ガス圧力1.0ｍTorrであ
る。膜厚は1.4μｍであつた。次に膜表面の清浄
化を行つた後に室温で加速エネルギー400keV、
イオン電流6μAのNe⁺イオンを注入した。第６
図に示したようにイオン注入前に3.38×
10⁹dyn／cm²の引張応力を持つ膜にイオン注入
を行つた結果、注入量を増加させるとともに引
張応力が急激に減少し、2.5×10¹⁶ions／cm²以上
の注入量において、膜の内部応力を1.00×
10⁹dyn／cm²以下にまで減少させることができ
た。上記の結果はN⁺を注入した場合にも同様
に得ることができた。また、SiH₄ガスのかわ
りにB₂H₆ガスを用いることよつて得られたア
モフアスBNについても、同様の結果を得るこ
とができた。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明の方法に従えば、
膜質をほとんど変化させずに低温で膜の内部応力
を低減させ、かつ低減化の過程において膜の内部
応力を制御することができる。本発明の方法は、
精密に設定できるイオン注入量によつて膜応力を
制御できるため、再現性に優れ、原理的に制御性
が高い。

以上の理由により、本発明の方法は低温下で精
密に膜応力を低減することが要求される半導体集
積回路およびＸ線リソグラフイー用マスク等に適
用すれば、著しい効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の概念図、第２図は実施例
１における窒化タングステンの応力低減を表す
図、第３図は実施例２におけるタングステンの応
力低減を表す図、第４図は実施例３における窒化
タンタルの応力低減を表す図、第５図は実施例４
におけるタンタルの応力低減を表す図、第６図は
実施例５における窒化珪素の応力低減を表す図で
ある。 １……基板、２……堆積膜、３……イオンビー
ム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板上に堆積した膜に加速したイオンを注入
   し、前記膜中に前記イオンを存在させることによ
   り前記膜の内部応力を低減することを特徴とする
   膜の内部応力低減方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の加速イオンが膜
   の構成元素のうちの１種の元素のイオンであるこ
   とを特徴とする膜の内部応力低減方法。