JPH05507115A - 薄膜状のアルファＴａを形成するための方法および構造 - 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】 薄膜状のアルファＴａを形成するための方法および構造［技術分野］ 本発明は、全般的にはアルファＴａ１ｌを形成するための構造および方法に関し 、より詳細には、薄膜状のアルファＴａを形成するための構造および方法に関す る。窒素を含有する環境で反応性スパッタリングによるＴａのシード層を基板上 に成長させ、このＴａ　（Ｎ）シード層を使ってアルファＴａの層を形成する。

［背景技術］ タンタル金属には２つの結晶相がある。抵抗率の低い（１２〜２ｏμΩｃｍ）ア ルファ　（ｂｃｃ）（体心立方）相およびそれより抵抗率の高い（１６０〜１７ ０μΩｃｍ）ベータ（正方）相である。アルファ相は抵抗率が低いので、電子工 業の応用分野にはベータ相よりも好ましい。

タンタル膜は一般に、マグネトロン・スパッタリングによって付着する。しかし 、ベータ相は通常、従来のスパッタリング法で付着され、通常の厚さく３０００ Ａ未満）の膜用に形成される。これを第１Ａ図に示す。第１Ａ図では、基板上に ベータ・タンタルが形成されている。

大部分の参考文献は、タンタルの特定の相を予測可能な形で再現可能に付着する 方法に関して一貫していない６どの相のタンタルが成長するかを決定する主要な 変数が２つあることを示唆する結果を得た研究者もいる。第１の変数は、付着中 の基板温度であり、第２の変数は真空システムにおける気体汚染の程度である。

このことは、Ｌ・マイセル（Ｍａｉｓｓｅｌ）およびＲ・ブラング（Ｇｌａｎｇ ）が、”Ｈａｎｄｂｏｏｋ　ｏｆ　Ｔｈ１ｎ　ＦｉｌｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ” 、　ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ、　ｐ、１８〜１２　（１９７０年）で論じている 。マイセルおよびブラングは、基板温度が６００℃を超えるとアルファ相が形成 されると報告した。また、真空システムの基準圧力が高（、水蒸気、窒素、およ び酸素の含有量が多いと、アルファ相が形成される可能性がある。

これらの知見は、電子工業の応用分野にはそれほど有用ではない。なぜなら、４ ００℃を上回る処理温度は通常、デバイス製造に適合しないからである。また、 スパッタ金属付着中にそのように高い基板温度を維持し制御するのは難しい。

さらに、システム内で制御可能な量の不純物を維持することは難しい。

また、Ｎ・シュワルツ（Ｓ　ｃ　ｈｗａ　ｒ　ｔ　ｚ　）およびＥ−Ｄ・ファイ ト（Ｆｅｉｔ）の研究を含むその他の研究で、これらの結果を使ってどの相のタ ンタルが成長するかを矛盾なく予測できないことが分かった。Ｎ・シュワルツお よびＥ−Ｄ・ファイトの”Ｉｍｐｕｒｉｔｙ　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｉｎ　ｔ、ｈｅ 　Ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｌｐｈａ　（ｂｃｃ）−Ｔａｎｔａｌｕｍ　 ｏｒ　Ｂｅｔａ−Ｔａｎｔａｌｕｍ　Ｆｉｌｍｓ”、　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　 ｔｈｅＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　５ｏｃｉｅｔｙ、　Ｖｏｌ、　１２４ ．　Ｎｏ、１．　ｐ、１２３〜１３１（１９９７年１月）を参照されたい。シュ ワルツおよびファイトは、上記の代りに、アルファ・タンタルの形成をもたらす ”Ｘ″不純物の存在を提案した。シュワルツおよびファイトの研究ど、Ｌ・マイ セルおよびＲ・ブラングの研究の違いは、前者では、”Ｘ″不純物は、真空チャ ンバ内の気体相中の何かではなく、単に基板上の何かに過ぎないという仮説が立 てられたことである。

最後に、Ｇ・ファインシュタイン（Ｆｅｉｎｓｔｅｉｎ）およびＲ・Ｄ・バッタ ーマン（Ｈｕｔｔｅｍａｎｎ）は、アルファ・タンタルの形成に対する基板の影 響について研究した。Ｇ・ファインシュタインおよびＲ−Ｄ−Ａツタ−マンの” Ｆａｃｔｏｒｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅ　５ｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　 ５ｐｕｔｔｅｒｅｄ　Ｔａｎｔａｌｕｍ　Ｆｉ１ｍｓ″、　Ｔｈ１ｎＳｏｌｉｄ 　Ｆｉｌｍｓ、　Ｖｏｌ、１６．　ｐ、１２９〜１４５　（１９７３年）を参照 されたい。

ファインシュタインおよびバッターマンは、基板を３つのグループに分類した。

グループ■には、ベータ・タンタルだけが形成できる、７ｏ５９ガラス、石英、 サファイア、ならびに銅やニッケルなどの金属のような基板が含まれた。グルー プＩＩには、アルファ（ｂｃｃ）タンタルだけが成長できる基板が含まれた。こ のグループには、金、白金、タングステンなどの厚さ５０００Ａの金属膜で被覆 された基板が含まれた。最後に、グループＩＩＩには、通常はアルファ・タンタ ルを形成するが、表面の適切な処理により、ベータ・タンタル、またはアルファ とベータの混合物を形成するようにできる基板が含まれた。これには、５０００ へのモリブデン、窒化ケイ素、または化学量論量の窒化タンタル（Ｔａ２Ｎ）で 被覆された基板が含まれた。Ｇ・ファインシュタインおよびＲ・Ｄ・バッターマ ンが記載するような厚い下地層を使用すると、この概念を用いて電子回路用のア ルファ・タンタルを形成することは実際的でなくなる。一般に、デバイス構造に は余分な材料を導入しないことが好ましいので、さまざまな材料（タングステン やモリブデンなど）を使うことは、電子回路用には実際的でない。

米国特許第３５５８４６１号では、酸素および窒素の存在下でタンタルを反応性 スパッタし、次に、形成された付着膜を陽極処理およびサーマル・プリエージン グすることにより、薄膜タンタルをベースとするレジスタを製造する方法が開示 されている。Ｎ２および０２を含む雰囲気中で膜を反応性スパッタして、ＴＣＲ （抵抗の温度係数）が制御された。抵抗率は、３００〜１５００μΩｃｍの範囲 であった。形成された膜は、「酸窒化タンタル」と呼ばれる。これは、本発明の 方法で形成されるアルファ・タンタル膜とは異なる。

米国特許第３８４７６５８号では、窒素でドープしたベータ・タンタルの付着が 開示されている。この発明では、窒素でドープしたベータ・タンタルから成る薄 膜電極が適切な非導電性基板上に付着される。この方法は、本発明で開示される アルファ・タンタルど対照的に、コンデンサ形成用のＮ２でドープされたベータ ・タンタルを形成する。この膜は、０゜１−１０％（原子）のＮ２を有し、抵抗 率が純粋なベータＴａ膜よりも１０〜５０％高い。さらに、このベータ・タンタ ルはＴａ２Ｏ，下地層上に成長させたものであるが、本発明者等は、アルファＴ ａの形成のためのシードまたは下地層としてＴａ（Ｎ）を使う方法を開示する。

米国特許第３８７８０７９号では、基板を３００℃を超える温度まで加熱し、タ ンタル・ターゲット部材に高周波放電を加えることにより、アルファ相ｂｃｃ　 （体心立方）格子中にタンタルの薄膜を形成する方法が開示されている。アルフ ァ・タンタルとベータ・タンタルのどちらが成長するかは、スパッタ・ガス中の Ｎ２分圧によって決まる。窒素分圧はスパッタ大気中で提供され、窒素分圧を下 げることにより、次々にＴａＮ、Ｔａ２Ｎ、最後にアルファ・タンタルが形成さ れた。

純粋なアルファＴａを形成する本発明とは対照的に、このアルファ・タンタルは 外来気体で強（ドープされていた。Ｎ２分圧をさらに下げるとベータＴａが形成 され、さらに下げると、基板を３００℃を上回る温度まで加熱した場合、アルフ ァＴａが再び形成できる。３００℃より高い温度で形成されるアルファ°タンタ ルの最終的な膜抵抗率は２５μΩｃｍであった。これとは対照的に、本発明の方 法では基板をそれほど高温に加熱する必要はなく、反応性気体が必要なのはシー ド層を付着する際だけであり、米国特許第３８７８０７９号で開示された膜の残 りの部分には必要がない。米国特許第３８７８０７９号では、Ｔａ２０５下地層 は基板の洗浄を容易にするために使用された。この下地層は、アルファ・タンタ ル膜の形成には関係がない。

米国特許第４０５８４４５号では、非導電性支持部材上にタンタル薄膜電極を装 着した薄膜タンタル・コンデンサを製造する方法が開示されている。タンタル電 極を窒素でドープして、ベータ・タンタルの窒素含有量から窒化タンタルの窒素 含有量までの範囲の窒素含有量が得られている。米国特許第４０５８４４５号の 方法は、アルゴン・スパッタ・ガスに１０−”トルの分圧でＮ２を導入すること により、Ｔａ２０５で被覆された基板上に付着された「アルファ」タンタルを形 成する。これらの「アルファ」タンタル膜は抵抗率が高＜（１００μΩｃｍ）、 おそらくＮ２含有量が高い。

米国特許第４２５１３２６号では、基板上にアルファ・タンタルのコンデンサ・ ベース電極を形成すると同時に、基板上にアルファ・タンタル陽極処理バス・バ ーを形成することにより、薄膜ＲＣネットワークを形成する方法が開示されてい る。アルファ・タンタル膜は、基板上にタンタル膜をスパッタし、タンタル膜を 熱酸化して下地層を形成した後、付着されたＴａ２０５下地層上にアルファ・タ ンタル膜をスパッタすることによって得られた。この下地層の目的は、基板処理 中に腐食性エツチング液による腐食から基板を保護することであり、明らかにア ルファＴａの形成と無関係である。これは、アルファ・タンタルの形成にＴａ（ Ｎ）シード層または下地層が必要な、本発明とは異なる。上記特許では、アルフ ァ・タンタルは、Ａｒ−Ｎ２大気中で３〜６ミリトルの圧力で付着された。得ら れた膜は、ＢＣ０４１１造を有し、１０〜２０％のＮ２を含有していた。本発明 は、構造の全体ではなく、シード層だけに窒素が存在するＴａｇを有する。

［発明の目的および要約コ 本発明の目的は、薄腹状のアルファＴａを形成する方法を提供することである。

本発明の他の目的は、薄いアルファＴａ膜を形成するための簡単で再現性の高い 方法を提供することである。

本発明の他の目的は、最終構造の抵抗率を、膜を電子工業の応用分野で使う候補 とするのに十分な低さく４０μΩｃｍ以下）に維持することである。

本発明の他の目的は、窒素中で反応性スパッタされたＴａをシード層として使用 して、その後のスパッタ中にアルファＴａを形成することである。

本発明の他の目的は、Ｔａ（Ｎ）シード層を形成するための処理許容範囲を広（ することである。

本発明の一態様では、下記の段階を含む、基板上にアルファＴａを形成する方法 が開示される。

（ａ）基板上に、窒素を含む雰囲気中で反応性スパッタされたＴａ（Ｎ）のシー ド層を形成する段階。

（ｂ）Ｔａ　（Ｎ）シード層上にアルファＴａの層を付着する段階。

本発明の別の態様では、基板上にＴａ（Ｎ）のシード層を備え、Ｔａ　（Ｎ）シ ード層上にアルファＴａの追加の層を有し、Ｔａ　（Ｎ）シード層の厚さが少な くとも２０人である構造が開示される。

Ｔａ（Ｎ）のシード層の厚さは、２０〜５００人とすることができる。

スパッタ雰囲気は、０．３〜３５．０％の窒素を含有することが好ましい。

アルファＴａ層は、好ましくは１５０〜６００℃で、より好ましくは１５０〜３ ００℃で付着できる。

［図面の簡単な説明］ 斬新であると考えられる本発明の特徴と、本発明に特有の要素については、添付 の特許請求の範囲に詳細に記述する。

図面は例示のためのものにすぎず、実寸に比例してはいない。

しかし、本発明自体は、編成に関しても動作方法に関しても以下の詳細な説明を 添付の図面と併せて参照すればもつともよく理解できよう。

第１Ａ図は、従来技術の方法で付着した、典型的なスパッタＴａ膜の概略断面図 である。

第１Ｂ図は、Ｔａ（Ｎ）シード層を使用してアルファＴａを形成する方法を示す 、本発明の実施例の概略断面図である。

第２Ａ図は、全構造の抵抗率に対するＴａ（Ｎ）シード層の厚さの効果を示すプ ロットである。

第２Ｂ図は、第２Ａ図のプロットを作成するために準備した典型的なサンプルの 概略断面図である。

第３Ａ図は、全構造の抵抗率に対する、シード層付着中の、アルゴン中の窒素濃 度の効果を示すプロットである。

第３Ｂ図は、第３Ａ図のプロットを作成するために準儲した典型的なサンプルの 概略断面図である。

［発明の好ましい実施例］ 本発明は、基板上にアルファ（ｂｃｃ）タンタルを再現可能に付着するための簡 単な方法を開示する。この方法では、まず、少量の窒素でドープしたタンタルの 薄いシード層または下地層を付着する。この層を以下ではＴａ（Ｎ）と呼ぶ。

次に、従来の方法で、必要な厚さのタンタル膜を付着する。

本発明の方法で形成される典型的な構造を第１Ｂ図に示す。

シード層のドーピングはＴａ２Ｎの付着と同じでないことに留意されたい。後者 では、付着プロセス中に気体組成の精密な制御が必要である。様々な金属シード 層が５０００人だったファインシュタインおよびバッターマンの研究とは対照的 に、本発明のシード層は、第２Ａ図に示すように極端に薄（（３２人すなわち３ ．２ｎｍ）することができる。第２Ａ図では、（Ｔａ　（Ｎ）シード層とアルフ ァＴａ層から成る複合構造の）全膜抵抗率をＴａ　（Ｎ）シード層の厚さに対し てプロットしである。シード層の厚さが１６人（公称厚さ）以下の場合、抵抗率 は５０μΩｃｍより大きく、ベータ・タンタル、またはアルファ・タンタルとベ ータ・タンタルの混合物が形成されることを示した。シード層がこれより厚（， ３２〜５００Ａ、（公称厚さ）である場合、全抵抗率はアルファ・タンタルが形 成されることを示した。第２Ａ図かられかるように、シード層の厚さがほぼ２０ １以上になると、実質的にアルファＴａが形成されるが、特に好ましい厚さは３ ２〜１００Ａである。シード層と５００人アルファ・タンタル上層の抵抗が並列 であるため、シード層の厚さが増すにつれて、全抵抗率も増加した。

シード層を使用すると、アルファ（ｂ　ｃ　ｃ）タンタルであるタンタル膜が形 成される。これは、Ｘ線回折分析と、前述の抵抗率測定値によって確認されてい る。窒素でドープしたタンタル膜の抵抗率は、通常１８０μΩｃｍより高いが、 シード層上に付着されるアルファ・タンタル膜のスタックの抵抗率は、本明細書 の他の部分、たとえば例２で説明するように、厚さに応じて２０〜４０μΩｃｍ 程度の低さにすることができる。

第３Ａ図は、複合構造または膜の全抵抗率に対する、シード層付着中のアルゴン ・スパッタ・ガス中の窒素の量の効果を示している。Ｔａ（Ｎ）シード層の厚さ を２５０人と一定にし、Ｔａ上層の厚さを２５ＯＡとして、アルゴン・スパッタ ・ガス中の窒素の割合を０％から３５％まで変化させた。

全抵抗率から、Ｔａ（Ｎ）シード層の付着中、アルゴン中に０．３〜３５％の窒 素が存在しているとアルファＴａが形成されることが分かった。「シード層」の 付着中に窒素が存在しない場合、抵抗率が高く、ベータ・タンタルが形成される ことを示す。ラブフォード後方散乱分光法（ＲＢＳ）によれば、アルゴン・スパ ッタ雰囲気中の窒素の量を０．５％から３５．０％まで変化させると、タンタル ・シード層中には５〜５０％の窒素が検出された。アルゴン中に０．３％の窒素 が存在する場合にもアルファ・タンタルが形成されたが、タンタル中の窒素はラ ブフォード後方散乱分光法の検出可能下限より少なかった。

第２Ａ図および第３Ａ図に示すように、アルファＴａの形成にとってシード層の 厚さは重大でなく、基板を高温にする必要も、システム不純物を制御する必要も ない。

本発明で開示するプロセスは、初Ｊ９Ｊ　Ｔ　ａ付着中にＮ２を導入することに より、その場で容易に実施できる。第３Ａ図で見たように、シード層中の窒素の 量は重大ではない。（７たがって、高度な反応性スパッタ・プロセスは不要であ る。

アルファ・タンタル層をバッチ装置で付着する場合、基板を意図的に加熱する必 要はない。シングル・ウェーハ装置を使用する場合は、１５０〜６００℃の温度 でアルファＴａ層が付着できる。アルファＴａ層は、２００’Ｃ以下の温度で付 着できることが好ましい。

興 以下の例は、本発明をさらに例示するためのものであり、本発明の範囲を制限す るものではない。

通常、薄いスパッタ膜はベータＴａである。バッチ装置によるプロセスが開発さ れた。アルファＴａの薄膜を付着するには、Ｔａ（Ｎ）シード層を使用する。こ の工程は、３２人はどの薄さにできる、窒化Ｔａのシード層を付着する段階（た とえば、スパッタ中にＡｒに５％のＮ２を含める）と、アルゴン中で窒素なしで Ｔａをスパッタする段階とからなる。

シード層付着中にＡｒスパッタ雰囲気中に０．３〜３３．０％のＮ２を使用し、 シード層を３２人を超える厚さにすると、アルファ相が形成された。圧力は、１ ０〜１００ミリトルの間で変化させ、１２５人という薄いアルファＴａ膜が形成 された。参考文献では基板を加熱する必要があると報告されているが、基板には 意図的な加熱は施さなかった。アルファ相とベータ相間の抵抗率の変化が大きい ので、測定技術としては主に面積抵抗率を使用した。さらに、Ｘ線回折を行って 形成された相を確認し、ラブフォード後方散乱分光法を使用してシード層の窒素 含有量をめた。Ｘ線回折によって、低抵抗率のサンプルにアルファ（ｂｃｃ）Ｔ ａが形成されたことが確認された。

例２ シングル・ウェーハ装置を使用し、Ｔａ（Ｎ）シード層上にアルファＴａの薄い 低抵抗率（２０μΩａｍ）の膜を形成するプロセスも開発された。シード層付着 中のＮ２流量、シード層の厚さ、および基板温度に関する処理許容範囲は広い。

Ｔａ付着条件は次のとおりとした。１００ＯＷ　ＲＦ、５゜２ミリトル、ＡｒＡ ｒ１０Ｏｓｃ％Ｎ２０〜１０１０５ｃ、室温（約２０℃）〜３００℃の基板温度 。別々に３組のランを行い、シード層付着中のＮ２流量を変え（○〜］、Ｏｓｃ ｃｍ、）、シード層の厚さを変え（５０〜２０ＯＡ）、基板温度を変えた（室温 の２０℃から３００　’Ｃまで）。

第１のランでは、シード層付着中のＮ２流量を変えた。シード層は厚さ２００人 とし、シード層上に７５０ＡのＴａをさらにスパッタした。これらのランのすべ てにおいて基板温度は２００℃とした。シード層がない場合、抵抗率は１１５μ Ωｃｍであった。シード層を使用したランでは、抵抗率は２３．１〜２４．５μ Ωｃｍであった。これらの膜に対してＸ線回折を行い、シード層を備えた腹が実 際にアルファＴａであることを確認した。

第２組のランではシード層の厚さを５０〜２００Ａの間で変化させ、全厚さは一 定に（公称１０００人）維持し７た。基板温度は２００℃とした。シード層の厚 さが増すと、シード層の抵抗率が増加するため、全抵抗率（アルファＴａとシー ド層）が１８．７μΩｃｍから２３．０μΩｃｍに増加した。

Ａｒ中に５％のＮ２を含有する混合気体中でシード層をスパッタしたところ、Ｔ ａ（Ｎ）の抵抗率は約２００μΩｃｍになった。

最後の１組のランでは、基板の加熱の効果を調べた。全膜厚さを約１００ｏ人と し、Ｔａ（Ｎ）シード層を２００Ａ（Ａｒ中に５％）、Ｔａを７５０Ａとした。

２２℃ノサンプルでは、意図的な加熱や冷却は施さなかった。このサンプルでは 温度の制御も監視も行わず、温度は２２℃であるものと想定した。２２℃、１５ ０℃、２００℃、および３００℃のサンプルまたはランの抵抗率から、２２℃の ランはベータであり　（１０４μΩｃｍ）、残りはアルファＴａ（２２，４〜２ １、○μΩｃｍ）であることが分かった。この結果から、アルファＴａの付着温 度は１５０〜３０　Ｃ）、’Ｃが特に好ましい。

１００℃で調製したサンプルの抵抗率は中間の値だった（４２および３９μΩｃ ｍ）。これはおそらく、アルファ相とベータＴａ相の混合物を示す。

シングル・ウェーハ・スパッタ装置でアルファＴａ１ｌｊを形成する際には処理 許容範囲が広い。抵抗率は低く、約２０μΩＣｍである。バッチ装置に関する前 の実験と異なり　（例１）、基板温度は重要である。１５０’Ｃ以上の温度が必 要になる。

これは、バッチ装置を使用する場合、大部分のプロセスでは、意図的に加熱しな くても基板が２００℃以上の温度まで加熱されることから説明できる。

本発明を特定の好ましい実施例に関して具体的に説明したが、当業者なら、前述 の説明に照らせば多数の修正および変更を思いつ（ことは明らかである。したが って、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の範囲および趣旨に該当する修正お よび変更を包含するものとする。

ＦＩＧ、ＩＡ ＦＩＧ、ＩＢ ＦｊＧ、２８ ＦＩＧ、３Ｂ Ｔａ（Ｎ）シード層厚さくλ） ＦＩＧ、２Ａ Ｔａ（Ｎ）１用のＡｒズパッタ　ガス中のＮ２の％ＦＩＧ、３Ａ 薄膜状のアルファＴａを形成するための方法および構造要　約 本発明は、全般的にはアルファＴａ膜を形成するための構造および方法に関し、 より詳細には、薄膜状のアルファＴａを形成するための構造および方法に関する 。窒素を含有する環境で反応性スパッタリングによるＴａのシード層を基板上に 成長させ、このＴａ（Ｎ）シード層を使ってアルファＴａ０層を形成する。

国際調査報告　Ｄ、□／ＩＫ　ＩＩＮ／ｎＭＩＲ国際調査報告 υ５９１００５１５ Ｓ＾　４４２９７

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．基板上にアルファＴａ層を形成する方法において、（ａ）前記基板上に、窒 素を含有する雰囲気中で反応性スパッタしたＴａ（Ｎ）のシード層を形成する段 階と、（ｂ）少なくとも１５０℃の温度で、前記Ｔａ（Ｎ）シード層上にアルフ ァＴａの層を付着する段階とを含むことを特徴とする方法。
2. ２．Ｔａ（Ｎ）の前記シード層が２〜５０ｎｍ（２０〜５００Å）の厚さである ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. ３．前記雰囲気が０．３〜３５％の窒素を含むことを特徴とする、請求項１に記 載の方法。
4. ４．前記アルファＴａ層が１５０〜６００℃の温度で付着されることを特徴とす る、請求項１に記載の方法。
5. ５．前記アルファＴａ層が２００〜３００℃の温度で付着されることを特徴とす る、請求項４に記載の方法。
6. ６．基板上にＴａ（Ｎ）のシード層を備え、前記Ｔａ（Ｎ）シード層上にアルフ ァＴａの層を有し、Ｔａ（Ｎ）の前記シード層が少なくとも２ｎｍ（２０Å）の 厚さであることを特徴とする構造。