JPS6376872A - 膜の内部圧縮応力低減方法 - 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］ 本発明は、膜を堆積さＶた後に、加速させたイオンを注
入することによっ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
減さゼ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線リソグラフィー用マス
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
スパッ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
応によって堆積を起こさせるため、これらの方法で堆積
さけた膜は、膜固有の内部応力のほかに熱応力も残留さ
けている。したがって、膜の堆積手段としては、低湿で
堆積が可能なプラズマＣＶＤ法およびスパッタ法が好ま
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でも、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
化させることによって行われてきた。例えば、高周波ス
パッタ（以下ｒｆスパッターという）においてはスパッ
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って
、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って膜の内部応
力を低減させる従来の方法には、次に述べる欠点があっ
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つことが困難であるため所定の応
力を持つ脇を得ることは非常に難しい。プラズマＣＶＤ
法Ｊ３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。すなわら、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（ＳｉｘＮ、Ｈ□）を堆積させる場合、引っ張り
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（Ｂ論に近
い組成（Ｓｉ３Ｎ４）を持ち、かつ小さな引っ張り応力
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
いる。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珍しくない。例えばスパッ
タ条件を適切に選択することによって、アモルファス状
態の窒化タングステン膜を堆積さけることができるが、
アモルファス状態の膜は１ｘ１０１０ｄｙｎ／Ｃ１２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Ｖると結晶化してしまい
、アモルファス状態の膜を得ることはできない。

膜を堆積さＶ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。１ノかし、この方
法は制御性に乏しいうえに、アニーリングによって新た
にＩＦｊ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（〕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１ 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
って、１％板表面に堆積させた機に対し、加速したイオ
ンを注入するにより、膜の内部応力を低減さぼることを
特徴とする。

本発明の方法は、堆積膜のすべてに適用可能であって、
そうした堆積膜の具体例としては、スパッタ法によって
ｉｆｔ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ＣＶ
Ｄ法によっ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。

イオン注入はイオンビームを堆積膜に照射することで行
われ、イオンビーム発生機としては、たとえば、コツク
クロフトワルトン型加速鼎等が一般に使用される。ビー
ム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、大ぎ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づるという事実に基づく。

第１図は、本発明方法の概念図で、駐板１１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“Ｃ，、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。こ
の作用によって膜内部の残留応力が低減する。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
方向に対しでイオンの放出エネルＡニー分布が−・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１ニ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、
またイオン注入量は精密に制御できる量であるために、
精密に応力の低減を行うことができる。また、低温で応
力を低減さぜるために熱歪も生じない。

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。このため、膜形成に際しては、最適な膜質を得
るうえで必要な堆積条件を選択することができる。所定
の膜質を１９だ土で、イオン注入によって応力を減少さ
仕れば良い。すなわち、従来方法では１ｑ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、イオン注入によって
平均化さゼることもできる。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］ ＋１）Ｓｔ基板上にアモルファス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３９．０ｓｅｃｍ　（標準状態ＣＣ／分）および窒
素７．６３ＣＣ１を混合して用いた。スパッタ条件は、
ｒｆパワー３００−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０．７０μｍであっ
た。次に膜表面の清浄化を行った後、室温で加速エネル
ギー４００　ｋｅＶイオン電流１０μへのＮ＋イオンを
注入した。第２図に示１ノたように、イオン注入前に１
．０７ｘｌＯ１０ｄｙｎ／Ｃｍ２の圧縮応力を持つ膜に
イオン注入を行った結果、注入量とともに応力が急激に
減少し７．５Ｘ１０１６ｉｏｎｓ／ａｍ２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
よって°膜は結晶化することはない。上記の効果はＮｅ
１を注入した場合にも同様に得ることができた。

（２）ＳｉＬＪ板上にタングステン膜をｒｆスパッタに
よって形成した。スパッタガスはアルゴンを用いた。流
ｍは４５．０ｓｃｃ＋ｇである。スパッタ条件はｒｆパ
ワー５００賢、スパッタガス圧力５１ＴＯｒｒである。

堆積温度は室温である。膜厚は０．５５μｍであった。

次に膜表面の清浄化を行った後、室温で加速エネルギー
４００　ｋｃＶイオン電流１０μＡのＮ＋イ、オンを注
入した。第３図に示したよウニイオン注入前ニ２．１１
ｘ１０１０ｄｙｎ／ｃｍ　２（７）圧縮応力を持つ膜に
イオンを注入を行い、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。

＋３１ＳｉＷ板上に窒化タンタル膜をｒｆスパッタによ
って形成した。スパッタガスは、アルゴン４４、０８Ｃ
Ｃ１１と窒素２．４ｓｅｃｍを混合して用いた。スパッ
タ条件は、ｒｆパワー５００Ｍ、スパッタガス圧力５ｍ
Ｔｏｒｒである。堆積温度は室温である。膜厚は０．６
２μ論であった。次に膜表面の清浄化を行った後、室温
で加速エネルギー４００　ｋｃＶ、イオン電流１０μへ
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１．７２ｘ１０１０ｄｙｎ／ｃｍ２の圧縮応力
を持つ膜にイオン注入を行い、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。

＋４１ＳｉｉＪ板上にタンタル膜をｒｆスパッタによっ
て形成した。スパッタガスはアルゴンを用いた。流量は
４５．０ｓｅｃａである。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０６６５μｍであった。次に
膜表面の清浄化を行った後、室温で加速エネルギー４０
０　ｋｅＶ　、イオン電流１０μ＾のＮ＋イオンを注入
しｌζ。第５図に示したようにイオン注入前に１．３８
Ｘ１０１０ｄｙｎ／ｃｍ２の圧縮応力を持つ膜にイオン
注入を行い、応力を減少させることがＣさた。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さた
。

ｆ５）Ｓｉ、ｌ板上にプラズマＣＶＤ法によってアモル
ファス５ｉＮＰＩＡを堆積させた。堆積条件は、Ｓ　ｉ
　ｌ−１４６，０ｓｅｃｎ、　Ｎ２９０．Ｏｓｃｃｍ、
　ｒ　ｆパワー１００Ｗ１堆積温度２００℃、反応ガス
圧力　１．０ｍ丁ｏｒｒである。膜厚は１．４μｍであ
った。次に膜表面の清浄化を行った後に室温で加速エネ
ルギー４００　ｋｅＶ　、イオン電流６μへのＮＯ＋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
３．３８ｘ１０９ｄｙｎ／ｃｍ２の引っ張り応力を持つ
膜にイオン注入を行った結果、注入けを増加させるとと
もに応力が急激に減少し、２．５Ｘ１０１６ｉｏｎｓ／
ｃｍ　２以上の注入量において、膜応力を１．０Ｏｘ１
０９ｄｙｎ／ｃｍ２以下ニマ”’Ｃ減少ｃ　Ｌルコトが
できた。上記の結果はＮ４を注入した場合にも同様に得
ることができた。また、Ｓｔ＋−＋４ガスのかわりに［
３２１−１６ガスを用いることよって得られたアモルフ
ァスｌ−３Ｎ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ぐきる。本発
明の方法は、精密に設定できるイオン注入Ｌ■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
線リソグラフィ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　堆積させた膜に、加速させたイオンを注入すること
   によって膜の内部応力を低減させ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項記載の方法であって、スパッ
   タ法によって堆積させた膜であることを特徴とする膜の
   内部応力低減方法。 ３　特許請求の範囲第２項記載の方法であって、スパッ
   タ法によって堆積させた金属膜であることを特徴とする
   膜の内部応力低減方法。 ４　特許請求の範囲第３項記載の方法であって、スパッ
   タ法によって堆積させた膜が高融点金属膜（合金も含む
   ）または高融点金属の化合物膜であることを特徴とする
   膜の内部応力低減方法。 ５　特許請求の範囲第４項記載の方法であつて、上記膜
   がタングステン、窒化タングステン、タンタル、窒化タ
   ンタルおよびそれらの合金であることを特徴とする膜の
   内部応力低減方法。 ６　特許請求の範囲第１項記載の方法であつて、プラズ
   マＣＶＤ法によつて堆積させた膜の内部応力低減方法。 ７　特許請求の範囲第６項記載の方法であつて、上記膜
   が窒化珪素膜および窒化ホウ素膜であることを特徴とす
   る膜の内部応力低減方法。