JPH0647725B2 - 非晶質タングステン化合物膜の内部応力低減方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、基板上に堆積させた非晶質タングステン化合
物膜の内部応力を低減する方法に関するものである。

基板上に堆積させた膜の内部応力を低減すること、並び
に低減させる過程において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
ィー用マスク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内部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。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って行なわれてきた。例え
ば、高周波（以下ｒｆという）スパッタにおいてはスパ
ッタガス圧力およびｒｆパワー等の装置パラメーターを
変化させることによっ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、堆積時基板温度等の装置パラメーターを
変化させることによって、膜応力を低減させてきた。

しかし、従来の堆積条件を変化させることによって膜の
内部応力を低減させる方法には、次に述べる欠点があっ
た。第一に、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
積温度によっ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ちつつ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法およびスパッタ法
においては、プラズマ状態を恒常的に一定であるように
設定することが要求される。プラズマ状態を恒常的に一
定であるように設定することは、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
つことに他ならない。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、したがってプラ
ズマ状態を一定に保つことは極めて難しい。プラズマ状
態が異なることは、プラズマ中の反応種が異なることで
もあり、膜の内部応力のみならず膜組成についても良好
な再現性が得られない原因となる。

第二に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。膜構造自体を変化
させる例として、スパッタ法により堆積させた金属膜が
あげられる。スパッタ法は金属膜の堆積に広く用いられ
ており、特に高融点金属膜およびその化合物膜について
はほとんど唯一の方法である。しかしながら、スパッタ
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
多い。例えば、スパッタ条件を適切に選択することによ
って、非晶質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、非晶質状態の膜は１×１０¹⁰dyn／cm^２
の大きな圧縮応力を持つ。しかしながら、応力を低減さ
せるためにスパッタ条件を変化させると結晶化してしま
い、非晶質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って
も膜応力を低減させることができる。しかしながら、こ
の方法は制御性に乏しく、長時間を要する。さらにアニ
ーリングによって新たに膜質が変化する場合があり実用
性に乏しい。

膜を堆積させた後に、室温でイオン照射することによっ
ても膜応力を低減させることができる。しかしながら、
この方法は、照射による損傷を残留させており、イオン
照射後熱を加えることにより膜応力が変化してしまうと
いう欠点を有する。

［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って膜の内
部応力を制御するものであるため、制御性良く膜応力を
低減させることはできない。また、所定の膜質を持ち、
かつ所定の膜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、制御性お
よび再現性良く膜応力を所望の値に低減させ、かつ応力
が熱的に安定である膜を得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、上記の目的を達成させるためになされたもの
であって、基板上に堆積させた非晶質タングスステン化
合物膜に対し、加速したイオンを加熱下に照射する工程
を含み、前記イオンとして、膜の構成元素と同じイオン
種を用いることを特徴とする非晶質タングステン化合物
膜の内部応力低減方法である。

イオン照射はイオンビームを堆積膜に照射することで行
われる。ビームのイオン種は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が用いられ、例えば
窒化タングステン膜の場合、窒素イオン（Ｎ^＋）を選ぶ
ことが望ましい。

本発明はイオン照射を加熱下に行うものであり、イオン
照射時の膜の温度は、加熱によって２００〜５５０℃に
保持するのが好ましい。

本発明の方法が適用される非晶質タングステン化合物膜
の具体例としては、スパッタ法によって堆積させた窒化
タングステン膜を挙げることができるが、その他の非晶
質タングステン化合物膜も同様に適用できる。

［作用］ 本発明は、大きな内部応力を有する膜に、加熱により温
度を上昇させた状態でイオン照射を行うと、膜の内部応
力が効率的に低減するという事実に基づく。

第１図は、本発明の概念図で、基板１上に形成された堆
積膜２にイオンビーム３が照射されている状況を示す。
膜中に照射されたイオンは、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
少させる方向に微視的状態を変化させる。この作用によ
って膜内部の残留応力が低減する。この時、同時に膜を
加熱しているため、微視的状態の変化は速やかに行われ
る。従って、より少ない照射量で効率的に膜応力を低減
でき、しかも膜応力に熱安定性を持たせることができ
る。この様な効果は、イオン照射と加熱とを別個に行っ
ても全く得ることはできない。この両者を併用しての
み、初めて顕著な効果が得られる。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って、膜の厚さ方向の応力分布を
一様にすることができる。

本発明の方法による応力減少の程度は、後掲の実施例に
示すようにイオン照射量に依存し、イオン電流に依存し
ない。したがって、膜応力を低減させるために必要なパ
ラメーターは一つであり、またイオン照射量は精密に制
御できる量であるため、精密に応力の低減を行うことが
できる。

本方法を行うことによって、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応力を低減させることが
できる。このことによって、堆積条件を最適な膜質を得
るように選択することができる。所定の膜質を得た上
で、イオンを加熱下に照射することによって応力を減少
させれば良い。すなわち、従来方法では得ることの困難
であった、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
ことに起因する膜応力のばらつきを、加熱下に照射する
ことによって平均化させることもできる。さらに、膜応
力を測定しつつ膜応力を低減させることも可能である。

［実施例］ Ｓｉ基板上に非晶質窒化タングステン膜をｒｆスパッタ
によって形成した。スパッタガスはアルゴン３９．０ss
cm（標準状態cc／分）および窒素７．６sccmを混合して
用いた。スパッタ条件は、ｒｆパワー３００Ｗ、スパッ
タガス圧力５mTorrである。堆積温度は室温である。膜
厚は０．５０μｍであった。次に表面の清浄化を行った
後、加速電圧４００keV、イオン電流密度１．０μＡ／c
m^２のＮ^＋イオンを照射した。膜の照射時の温度は２５
０℃、３００℃および４００℃であった。第２図に示し
たように、イオン照射前に１．０７×１０¹⁰dyn／cm^２
の圧縮応力を持つ膜にイオン照射を行った結果、照射量
とともに応力が急激に減少し、２５０℃において７．０
×１０¹⁴ions／cm^２、３００℃において４．０×１０¹⁴
ions／cm^２、また４００℃において２．０×１０¹⁴ions
／cm^２の照射量において膜応力を零にすることができ
た。イオン照射によって膜は結晶化することはない。ま
た、４００keVのＮ^＋イオンの電流密度を０．１から
２．５μＡ／cm^２の範囲で変化させたが、照射後の応力
に１．０μＡ／cm^２での照射と差は認められなかった。
従って、上記効果はイオン電流密度には依存しない。上
記の効果はＮｅ^＋を照射した場合にも同様に得ることが
できた。これに対し、室温で、加速電圧４００keV、イ
オン電流密度２．３μＡ／cm^２のＮ^＋イオン照射を行っ
た場合には、第４図のように応力を低減させるのにより
大きな照射量を必要とし、膜応力を除去するのに２．５
×１０¹⁶ions／cm^２以上の照射量を要した。また、イオ
ン照射を行わずに単に加熱したのみでは第５図のように
応力を低減させるのに５００℃程度の温度が必要であっ
た。この時、加熱温度を変えると非晶質タングステン膜
の内部応力は第５図のように圧縮応力から引っ張り応力
へと敏感に変化するので、加熱のみによって十分に応力
を除去するのは困難であった。また、５時間以上の長時
間の加熱を行っても、単に３００℃に加熱したのみでは
膜応力を６．５×１０^９dyn／cm^２以下には低減できな
かった。この例のように、イオン照射と加熱とを併用す
ると、少ない照射量で制御性良く内部応力を低減できる
という著しい効果が得られる。

次に、３００℃で照射量４．０×１０¹⁴ions／cm^２のＮ
^＋イオンを照射後、室温まで冷却した非晶質窒化タング
ステン膜を、さらに３００℃でアニーリングした。第３
図に示したように６時間のアニーリングによっても膜応
力は変化せず、本発明の方法により極めて優れた応力安
定性を得ることができた。一方、室温で４００keVに加
速したＮ^＋イオンを２．５×１０¹⁶ions／cm^２照射して
応力を除去した非晶質窒化タングステン膜を、３０分の
熱処理をすると第５図のような応力の変化を示した。こ
のように、１００℃以下の熱処理でも１×１０^９dyn／c
m^２程度の引っ張り応力が発生した。特に、３００℃で
３０分間アニーリングすると、膜応力は４．０×１０^９
dyn／cm^２の引張応力に増大してしまい、実用上必要な
内部応力の安定性を得ることはできなかった。

上記結果は、スパッタで堆積させた他の非晶質タングス
テン化合物膜についても、同様に得ることができた。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明の方法に従えば、非晶質タ
ングステン化合物の膜質をほとんど変化させずに膜応力
を低減させ、かつ低減化の過程において膜応力を制御す
ることができる。さらに膜応力の熱安定性も得ることが
できる。本発明の方法は、精密に設定できるイオン照射
量によっ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、精密に膜応力を低
減すること、および膜応力の熱安定性が要求される半導
体集積回路およびＸ線リソグラフィー用マスクに適用す
れば、著しい効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を表す図、第２図は窒化タングス
テンの応力低減を示す図、第３図は窒化タングステンの
膜応力の熱安定性を示す図、第４図は室温で窒化タング
ステンに４００ keVの窒素あるいはネオンイオンを照射
したときの応力低減を示す図、第５図は室温で４００ k
eVの窒素イオンを２．５×１０^１６／cm^２照射した窒化
タングステンとイオンを照射していない窒化タングステ
ンとに対して異なる温度で３０分間の熱処理を行ったと
きの応力変化を熱処理温度に対して示した図である。 図中、 １……基板 ２……堆積膜 ３……イオンビーム である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 麻蒔立男「薄膜作成の基礎（第２版）」 （昭59−７−30）日刊工業新聞社Ｐ．94− 96

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に堆積させた非晶質タングステン化
   合物膜に加速したイオンを加熱下に照射する工程を含
   み、前記イオンとして、膜の構成元素と同じイオン種を
   用いることを特徴とする非晶質タングステン化合物膜の
   内部応力低減方法。
2. 【請求項２】上記膜が非晶質窒化タングステン膜であ
   り、上記イオンが窒素イオンであることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載の方法。