JP3559290B2 - Metal thin film and method for producing the same - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、機械的強度と化学的安定性のよいタンタル金属の低比抵抗薄膜の構成と、その製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
エレクトロニクスの分野における配線膜材料には種々の金属が用いられるが、なかでもタンタル金属は、機械的強度に優れ、かつ、その酸化被膜になるTa2O5は誘電ロスが極めて少ない、比誘電率が比較的高いという電気的な特徴と、優れた耐酸・耐アルカリ性の化学的な安定性から、各種のデバイス製造プロセスに耐える薄膜配線になり、かつ、そのデバイスにおける信頼性を高めることができるので利用価値が高く、多用されている。
【0003】
しかし、このタンタル金属膜の薄膜化が進むに従って、低比抵抗(20〜50μΩcm)を示す通常の立方晶結晶構造(α相)のなかに高い比抵抗(〜200μΩcm)を示す正方晶結晶構造(β相)が発生し準安定な状態で存在していることが知られている。
【0004】
以上の2つの相のうちタンタル高比抵抗のβ相は、その比抵抗の温度による変化が極めて小さいことから、精密抵抗器に使用されるようになっている。
【0005】
一方、低比抵抗のα相タンタルは、そのβ相タンタルの1/10程度の比抵抗になることから、特性のよい薄膜配線材料として、各種の用途への応用展開がされている。しかし、タンタルの薄膜化が進むと、準安定な高比抵抗のβ相ができやすくなり、作製した薄膜配線の抵抗値が高くなる、均一にならない等の問題から、低比抵抗のα相タンタルのみを形成するための種々の成膜法が提案されている。
【0006】
以上において、タンタル薄膜のスパッタ法による堆積中に窒素ガスを導入して、成膜したタンタル薄膜を窒素との合金にする方法は、歴史的には窒化物合金系超伝導体材料研究の成果ではあるが、比較的容易に、準安定な高比抵抗のβ相の発生を防ぎ、選択的に低比抵抗のα相のタンタル薄膜に制御した成膜をすることができるので、タンタル薄膜の配線形成プロセスによく用いられるようになっている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、以上で説明した窒素ガス添加によるスパッタ法で成膜したタンタル薄膜では比抵抗が異なる2つの結晶構造の相の出現率(α/β)が、その成膜条件、例えば窒素ガス分圧やその流量、スパッタの印加電力、又は、基板の温度や基板の材料、膜堆積速度、スパッタ装置の構造に依存していることが知られてから、堆積膜の安定化のため種々の工夫がされてきた。
【0008】
以上の成膜条件のなかでも窒素ガス分圧の大きさが相の出現率(α/β)に大きい影響を与えている。即ち、窒素が10−6〜10−5Torrの分圧の範囲になるとタンタル薄膜は、高比抵抗のβ相からα相とβ相の混合相になり、更に、10−5Torrの近辺で低比抵抗のα相リッチになる。次に、窒素ガス分圧を10−5Torr以上にすると前記の金属的なα及びβ相以外の絶縁物の特性をもつTaN0・1,TaN0・25,Ta6N2・75,TaN0・5,TaN0・8,TaN,Ta3N4(ASTM:American Standard and Testing Materials カードより)などが形成されるようになり、比抵抗は再び増大してくる。従って窒素添加ガスのスパッタ法で、最適な低比抵抗のタンタル薄膜を成膜するためには、窒素分圧を10−5Torr付近に保つよう窒素流量を制御する必要があるが、これは生産の現場において基板全体を常に最適な膜堆積条件に維持することは難しく、又、膜の堆積面積が広くなれば増々困難になる。
【0009】
又、以上の方法により作製したタンタル金属の薄膜は絶縁物を分散した構成になることから、高比抵抗の結晶構造になる準安定なβ相の形成を防ぐことができても、純粋なタンタル金属の低比抵抗値(13μΩ)より3〜4倍高い比抵抗値になることは避けられない。
【0010】
一方、タンタル金属薄膜における2つの相の出現率α/βは、膜を堆積する基板の種類と共にその表面状態にも依存することが知られている。これは、一般的に酸化物もしくは酸化物を形成しやすい材料からなる基板表面では高抵抗になるβ相が形成されやすく、一方、基板の表面が水分その他の分子の付着で汚染されているときは低抵抗のα相が形成されやすいという報告はあるがこらは経験則の域を出ないもので、製造工程においてこの膜堆積条件を継続して維持することは困難であった。
【0011】
本発明は以上で説明した低比抵抗のタンタル金属薄膜の製造における従来の方法の課題を解消する低比抵抗タンタル金属薄膜の構成とその製造方法を提供することを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来のタンタル金属薄膜の低比抵抗のα相形成のための窒素ガス添加によるスパッタ法では、成膜条件が極めて厳しいこと、又、スパッタ条件によって形成される絶縁性のタンタル窒化物の形成を防ぐと共に、前記の窒素添加法で得られたα相タンタル薄膜より、更に低比抵抗になるα相のタンタル薄膜を形成するため、タンタルのα相と同じ体心立方格子のみの結晶構造をもつニオブ金属を利用するものである。
【0013】
以上の方法を実施する具体的な方法としては、本発明のタンタル金属と類似した耐酸、耐アルカリ特性をもち、化学的に安定していると共に、バルクのときも薄膜の状態のときもタンタル金属のような準安定なβ相をもつことなく、タンタルの低比抵抗のα相と同一の体心立方の結晶構造のみのニオブ金属によりタンタル薄膜も同じ結晶構造にするものである。
【0014】
このニオブ金属を、スパッタ法におけるタンタルの堆積膜中に添加することで、添加したニオブの粒子が隣接したタンタル金属層を同じ体心立方格子の結晶構造になるよう強制的に誘導するという実験の結果を利用し、堆積したタンタル金属薄膜をα相にするものである。
【0015】
以上のようなニオブ金属との境界でのタンタル金属膜の強制的体心立方格子構造への誘導作用は、ニオブ金属薄膜上へタンタル金属薄膜を堆積したときも生じるので、この方法によっても低比抵抗のα相からなるタンタル薄膜を作製することができる。
【0016】
【作用】
以上で、説明した結晶構造の誘導は、ニオブ金属が格子定数3.303Åの体心立方格子の結晶構造で、一方、低比抵抗のタンタル金属も同一結晶構造で、かつ、その格子定数も3.3058Åという極めて近似した値になっていることに起因する。特に、面間エネルギーが小さい(110)、(111)などでの高次のミラー面を異種原子間のヘテロエピタキシャル成長が、タンタル金属を体心立方格子へ強制的に成長させ、他方の正方格子の結晶構造からなる高比抵抗のβ相の成長を阻害する効果を見出だし、これを利用するものである。
【0017】
以上の本発明の方法は、従来の窒化法を用いたとき不可避的に形成されたタンタルの窒化物からなる絶縁物は形成されないで、タンタル金属と同程度の比抵抗(14.2μΩ)のニオブ金属を用いることから作製したタンタル金属薄膜の比抵抗に悪影響を与えることなく、低比抵抗のα相にすることができる。
【0018】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【0019】
先ず、本実施例の成膜に用いたスパッタ装置とその成膜条件の概要を図4に示した。
【0020】
図4で、1は基板でありタンタル金属薄膜を堆積するときは、一般には、ガラス板・シリコンウエハ等を用いることが多い。2は、スパッタ用のターゲットであり、本実施例では堆積する金属膜の組成、又は、構成に応じて、ニオブを添加したタンタル合金のターゲット、ニオブ金属とタンタル金属のブロックを組み合わせて幾何学的な所定の組成比に対応するパターンにしたターゲット、又は、ニオブ金属、タンタル金属のみからなるターゲットを用いている。3は、本スパッタ装置の排気系に接続する排気口である。なお、図示を省略した排気系は、本スパッタ装置内を1×10-4Pa程度の真空度まで排気できれば、ターボポンプ、熱拡散ポンプ等を使用することができる。4はスパッタにおける放電で発生したアルゴンのプラズマを、ターゲットと基板の間に閉じ込める磁場を発生するためのコイルで、このコイル4で発生させた磁場の強さにより、アルゴンプラズマの実効的密度を〜100倍にして膜堆積速度を速くするという利点をもっている。しかし、この磁場がなくても膜の堆積はできる。5は直流電源で−100V〜−3000V程度の範囲で使用することが多い。本実施例では直流(DC)スパッタ法を用いているが、装置に制御用グリッドを設けた高周波(RF)スパッタ法を用いてもよい。6はスパッタ用ガスの供給口で、実施例においては窒素ガスを添加したアルゴンガスが供給されている。なおガス供給口6へ供給するガスの量やその混合・希釈度は精密に流量制御装置で制御している。なお、成膜したタンタル金属薄膜の膜厚は約3000Åであった。
【0021】
(参考例1)以下の参考例では前記で説明した図4のスパッタ装置を用いて成膜した。
【0022】
その実施例の成膜工程は、まず装置のガス供給口6を閉じて、装置内を1×10−4Pa程度の真空度にして付着ガス等を排気した後、所定のアルゴンガス等を、圧力0.4Paに保ようガスを供給した。このガスの供給はアルゴン(Ar)ガスで50sccmである。基板1にはガラス板(C7059)を用いて、膜堆積の温度は室温にしている。スパッタのときは、DC電源5により3.0KWの電力を供給している。
【0023】
以上のスパッタ条件において、タンタル金属にそのα相と同じ立方晶結晶構造をもつニオブ金属を1〜10重量%添加したターゲットを用いて成膜した。
【0024】
以上で成膜した金属薄膜は、いずれも20〜60μΩcmの低い比抵抗であり、従来の窒素添加によるα相のタンタル薄膜より低い比抵抗であることが分った。
【0025】
以上の実施例のタンタル金属薄膜のX線回折測定の結果を示したのが図1(A)である。以上のX線回折パターンから分るように実施例の薄膜は、タンタル金属の低比抵抗立方結晶構造(α相)のみで形成されていることが分る。
【0026】
以上の本実施例に対する比較例として従来の技術で作製したタンタル金属薄膜のX線回折パターンを図1(B),(C),(D)に示す。
【0027】
図1(B)を測定したタンタル金属薄膜は、タンタル金属のみのターゲットを用いて、スパッタガスもアルコンガスのみを供給して成膜した。
【0028】
図1(B)から分るように成膜したタンタル薄膜では、高比抵抗の準安定正方結晶構造(β相)が多いことが分る。
【0029】
次の図1(C)に示したX線回折パターンは、前の図1(B)でX線回折パターンを示した薄膜の成膜条件に、窒素(N2)ガスを2sccm添加して堆積したタンタル金属薄膜のものである。
【0030】
図1(C)から分るように、スパッタガスに窒素ガスを添加することでβ相が減少して、低比抵抗の立方晶結晶構造(α相)が増大していることが分る。
【0031】
更に、図1(D)に示したのは、前記の成膜条件の窒素ガスを4sccmに増加して堆積したタンタル金属薄膜のX線回折パターンである。この図1(D)からβ相が消失してα相のみになっていることが分る。
【0032】
以上における従来の窒素添加のタンタル金属薄膜の堆積におけるスパッタガスへの窒素添加量と、成膜した薄膜の比抵抗の関連を示したのが図2である。図2から、添加窒素ガスが4sccmのとき薄膜の比抵抗が極小になることが分る。以上で説明した図1と図2から分るように、従来の窒素添加の方法でα相を形成するときは、本質的にはタンタル金属薄膜のなかにその窒化物の絶縁物を形成することになり、過剰の窒素添加はその薄膜の比抵抗を増大させることになった。
【0033】
以上の従来例の窒素添加に対して、本実施例のニオブ金属を1〜10重量%添加したタンタル金属との合金のターゲットを用いてニオブを添加したタンタル薄膜は、従来の方法のものより低い比抵抗のタンタル薄膜を、安定して再現性よく作製できることが分った。
【0034】
以上の実施例1では、,ニオブを1〜10重量%添加したタンタルのターゲットを用いたスパッタ法で作製した金属膜の実施例で説明したが、ニオブ単体の比抵抗が小さいことから、上記の実施例以上の高い比率の合金においても同等の効果が得られると予想できる。
【0035】
(実施例1)この実施例においては、使用するターゲットにニオブ金属の添加量を0.1〜10重量%とニオブの添加量を減少したタンタルのターゲット用いると共に、スパッタガスに0.2〜1sccmの窒素ガスを添加して成膜した。作製した薄膜の比抵抗はいずれも40〜60μΩcmと従来のタンタル薄膜より低い比抵抗であった。
【0036】
又、以上で成膜した薄膜のX線回折パターンは、図3(A)に示したように、単1の低比抵抗立方結晶構造(α相)のタンタル金属薄膜であることを示している。
【0037】
以上の実施例2の比較例として、ターゲットのみを、タンタル金属のみのターゲットにして成膜したタンタル薄膜のX線回折パターンを示したのが図3(B)である。この図3(B)が従来の窒素ガス添加量を極く少量にしたときに対応していて、高比抵抗の準安定正方結晶構造(β相)が顕著に多くなっていることが分る。
【0038】
本実施例によるスパッタガスに窒素を少量添加する方法は、タンタル中に添加するニオブの量を制限する必要のあるとき有効であり、又、少量のニオブを添加しておくことで、タンタル薄膜を所定の比抵抗にするための窒素の量を減少できることが分った。
【0039】
この実施例2で成膜した金属薄膜中の窒素量を分析した結果、0.1〜1原子%であり、従来の窒素添加法によるものの1/10〜1/2の窒素量で低比抵抗の立方結晶構造(α相)が顕著に形成されていることが分る。
【0040】
(参考例2)本参考例は、ターゲットの構造を変えたもので、参考例1のようなタンタルとニオブの合金のターゲットではなく、表面のタンタルとニオブの面積比を所定の比率にしたターゲットを用いたスパッタ法による成膜を行ったものである。
【0041】
作製した金属薄膜の比抵抗は20〜60μΩcmと良好であり、かつ、そのX線回折パターンも、殆んど図1(A)と同じで、単1α相で形成されていることを示していた。
【0042】
本実施例では、成膜後のタンタル中のニオブの原子比が1〜10%になるよう制御したが、本発明はニオブの比率を以上で限定するものでなく、その比率を変えることも可能である。
【0043】
以上はタンタルとニオブのターゲット上での面積比を変える方法の実施例で説明したが、タンタルとニオブのターゲットをそれぞれ独立した構成にして、各ターゲットへ印加するスパッタの電力を制御して、目的の構成の金属薄膜にしてもよい。
【0044】
(実施例2)本実施例は、タンタルとニオブのターゲットを各々独立に制御できる構成にし、かつ、スパッタガスに少量の窒素ガスを供給して成膜したものである。
【0045】
以上によって成膜した金属薄膜は40〜60μΩcmと低い比抵抗を示すと共に、そのX線回折パターンも単1α相のタンタル金属薄膜であることを示していた。
【0046】
本実施例でのタンタル中のニオブ添加量を減少させたいとき有効であり、添加した窒素の量も分析した結果0.1〜1原子%で有効になっているので、従来の窒素量の1/10〜1/2でα相を顕著に形成できることが分った。
【0047】
(実施例3)本実施例は、タンタル金属のターゲットとニオブ金属のターゲットを用いてスパッタ法で金属膜を形成するものである。
【0048】
この成膜においては、ニオブのターゲットにより基板上に10〜100nmのニオブ金属薄膜を形成し、続いてタンタルのターゲットにより、前記のニオブ金属薄膜上にタンタル薄膜を形成するものである。以上のようにして成膜した金属膜の比抵抗は20〜60μΩcmと低く、かつ、その薄膜のX線回折パターンも単一のα相の構成になっていることを示していた。
【0049】
本実施例では、タンタルの低比抵抗の立方結晶構造(α相)と同じ構造になるニオブの極めて薄い薄膜(10〜100nm)上に、タンタルを堆積し、ニオブ薄膜による強制的な誘導により、上に堆積したタンタル薄膜をα相に揃えるものである。
【0050】
以上の本実施例では先に堆積するニオブ薄膜を10〜100nmにしたが、本発明ではニオブ薄膜の膜厚をこの範囲に限定するものではなく、続いて堆積したタンタル薄膜をα相に誘導できる厚さであればよい。
【0051】
(実施例4)本実施例においても、先ずニオブのターゲットにより1〜100nmのニオブ薄膜を堆積し、続いて、少量の窒素(0.2〜1sccm)窒素ガスを添加したスパッタガスを用いてタンタル薄膜を堆積している。
【0052】
以上で形成した金属薄膜の比抵抗は40〜60μΩcmと良好であり、又、その薄膜のX線回折パターンは単一の低比抵抗α相であることを示していた。
【0053】
以上での実施例は、はじめに堆積するニオブ薄膜を薄くしたいとき有効であり、そのニオブ薄膜の膜厚は1nm程度にしても効果があることが分った。
【0054】
以上の種々の実施例によって、本発明のタンタル薄膜を低比抵抗に安定させた成膜ができることを示したが、本発明は実施例によって限定されるものでなく、例えば実施例では1つのスパッタ用チャンバ内でニオブとタンタルを連続させて成膜した積層膜も、トランスファ・ゲートバルブを介した複数のチャンバによって成膜してもよく、更に、目的によっては実施例で説明した薄膜の他の組合せ、又は、積層数を変えて成膜することもでき、成膜条件も目的によって変えることができる。
【0055】
【発明の効果】
本発明によるタンタル薄膜は、該薄膜中にニオブを添加するか、ニオブの薄膜を形成した上に堆積することで、成膜したタンタル薄膜を低比抵抗の立方晶構造(α相)にするものである。更に、本発明のタンタル金属からなる薄膜は、従来のスパッタ装置を用いて作製することができるので、安定した導体薄膜として、特に微細な加工を必要とするIC,光IC,光電変換デバイス,光学表示デバイスなどエレクトロニクスの分野に広く使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ニオブを添加したタンタル薄膜と従来の窒素添加タンタル薄膜のX線回折パターンを示した図である。
【図2】タンタル薄膜への窒素添加量による比抵抗の変化を示した図である。
【図3】スパッタガスに少量の窒素を添加した成膜において本発明の効果を示したX線回折パターン図である。
【図4】実施例の成膜に使用したスパッタ装置の概要を示した断面図である。
【符号の説明】
1 基板
2 ターゲット
3 排気口
4 磁場発生用コイル
5 直流電源
6 ガス供給口[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a configuration of a low resistivity thin film of tantalum metal having good mechanical strength and chemical stability, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Various metals are used as wiring film materials in the field of electronics. Among them, tantalum metal is excellent in mechanical strength, and Ta 2 O 5 which becomes an oxide film thereof has a very small dielectric loss and a relative dielectric constant. Because of its relatively high electrical characteristics and excellent chemical stability of acid and alkali resistance, it becomes a thin film wiring that can withstand various device manufacturing processes and can increase the reliability of the device. It has high utility value and is heavily used.
[0003]
However, as the tantalum metal film becomes thinner, the tetragonal crystal structure (.about.200 .mu..OMEGA.cm) having a higher specific resistance (.about.200 .mu..OMEGA.cm) in the normal cubic crystal structure (.alpha. Phase) having a lower specific resistance (20.about.50 .mu..OMEGA.cm). It is known that (β phase) is generated and exists in a metastable state.
[0004]
Among the above two phases, the β phase having a high specific resistance of tantalum is used for precision resistors because its specific resistance has a very small change with temperature.
[0005]
On the other hand, low-resistivity α-phase tantalum has a specific resistance of about 1/10 of that of β-phase tantalum, so that it has been applied to various uses as a thin film wiring material having excellent characteristics. However, as the thickness of tantalum becomes thinner, it becomes easier to form a metastable β phase with a high specific resistance, and the resulting thin film wiring has a high resistance value and is not uniform. Various film-forming methods for forming only one have been proposed.
[0006]
In the above, the method of introducing a nitrogen gas during the deposition of a tantalum thin film by sputtering and forming the formed tantalum thin film into an alloy with nitrogen has historically been a result of research on a nitride alloy based superconductor material. However, it is relatively easy to prevent the generation of metastable β-phase with high resistivity and to selectively control the formation of low-resistance α-phase tantalum thin film. It is commonly used in forming processes.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the tantalum thin film formed by the sputtering method using nitrogen gas described above, the appearance rate (α / β) of two crystal structure phases having different specific resistances depends on the film forming conditions, for example, the nitrogen gas partial pressure and the like. Since it is known that it depends on the flow rate, the applied power of sputtering, or the temperature of the substrate, the material of the substrate, the film deposition rate, and the structure of the sputtering apparatus, various measures have been taken to stabilize the deposited film. Have been.
[0008]
Among the above film forming conditions, the magnitude of the partial pressure of nitrogen gas has a great influence on the appearance rate (α / β) of the phase. That is, when the partial pressure of nitrogen falls within the range of 10 −6 to 10 −5 Torr, the tantalum thin film changes from a high-resistivity β phase to a mixed phase of an α phase and a β phase, and further, at around 10 −5 Torr. The α phase becomes rich with low specific resistance. Next, TaN 0 · 1, TaN 0 · 25 nitrogen gas partial pressure be at least 10 -5 Torr with the characteristics of said metallic α and β phases except for the insulator, Ta 6 N 2 · 75, TaN 0 · 5, TaN 0 · 8 , TaN, Ta 3 N 4 (ASTM: from American Standard and Testing Materials card) become like is formed, and the specific resistance comes increased again. Therefore, in order to form an optimal low-resistivity tantalum thin film by a nitrogen-added gas sputtering method, it is necessary to control the nitrogen flow rate so as to keep the nitrogen partial pressure at around 10 −5 Torr. It is difficult to always maintain the entire substrate at the optimum film deposition conditions in the field, and it becomes more and more difficult if the film deposition area becomes large.
[0009]
In addition, since the thin film of tantalum metal formed by the above method has a structure in which an insulator is dispersed, even if it is possible to prevent the formation of a metastable β phase that forms a high-resistivity crystal structure, pure tantalum metal is used. It is unavoidable that the specific resistance value becomes 3 to 4 times higher than the low specific resistance value (13 μΩ) of the metal.
[0010]
On the other hand, it is known that the appearance ratio α / β of two phases in a tantalum metal thin film depends not only on the type of substrate on which the film is deposited but also on the surface state thereof. This is because β-phase, which has high resistance, is likely to be formed on the surface of a substrate made of an oxide or a material that easily forms an oxide, while the surface of the substrate is contaminated by adhesion of moisture or other molecules. Although there is a report that a low-resistance α-phase is likely to be formed, these are out of the range of empirical rules, and it has been difficult to continuously maintain the film deposition conditions in the manufacturing process.
[0011]
An object of the present invention is to provide a configuration of a low resistivity tantalum metal thin film and a production method thereof which solve the problems of the conventional method for producing a low resistivity tantalum metal thin film described above.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, the conventional sputtering method using a nitrogen gas for forming a low resistivity α-phase of a tantalum metal thin film has extremely severe film forming conditions, and has an insulating tantalum nitride formed by the sputtering conditions. In addition to preventing the formation of a, the α-phase tantalum thin film obtained by the above-mentioned nitrogen addition method forms an α-phase tantalum thin film having a lower resistivity than the α-phase tantalum thin film. It uses niobium metal having a structure.
[0013]
As a specific method for carrying out the above method, tantalum metal having acid resistance and alkali resistance similar to those of the tantalum metal of the present invention, being chemically stable, and in bulk and in a thin film state Without the metastable β phase as described above, the tantalum thin film also has the same crystal structure with niobium metal having only the same body-centered cubic crystal structure as the low resistivity α phase of tantalum.
[0014]
By adding this niobium metal into the tantalum deposited film by sputtering, the added niobium particles forcibly induce the adjacent tantalum metal layer to have the same body-centered cubic crystal structure. Utilizing the results, the deposited tantalum metal thin film is converted to the α phase.
[0015]
The forcing of the tantalum metal film to the body-centered cubic lattice structure at the boundary with the niobium metal as described above also occurs when the tantalum metal thin film is deposited on the niobium metal thin film. A tantalum thin film made of the α phase of resistance can be manufactured.
[0016]
[Action]
The induction of the crystal structure described above is based on the fact that niobium metal has a body-centered cubic lattice crystal structure with a lattice constant of 3.303 °, while tantalum metal with a low resistivity has the same crystal structure and a lattice constant of 3 .3058}, which is a very approximate value. In particular, heteroepitaxial growth between different atoms of a higher-order mirror surface at (110), (111) or the like having a small interplanar energy forcibly grows tantalum metal into a body-centered cubic lattice, and the other tetragonal lattice. The present invention finds an effect of inhibiting the growth of a β phase having a high specific resistance having a crystal structure, and utilizes this effect.
[0017]
According to the above-described method of the present invention, niobium having a specific resistance (14.2 μΩ) similar to that of tantalum metal is obtained without forming an insulator made of tantalum nitride which is inevitably formed when a conventional nitriding method is used. The use of a metal allows a low resistivity α phase to be formed without adversely affecting the resistivity of the tantalum metal thin film produced.
[0018]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0019]
First, FIG. 4 shows an outline of the sputtering apparatus used for the film formation of the present embodiment and the film formation conditions.
[0020]
In FIG. 4, reference numeral 1 denotes a substrate, and when depositing a tantalum metal thin film, a glass plate, a silicon wafer or the like is generally used in many cases.
[0021]
(Reference Example 1) In the following reference example , a film was formed using the sputtering apparatus of FIG. 4 described above.
[0022]
In the film forming process of the embodiment, first, the
[0023]
Under the above sputtering conditions, a film was formed using a target in which 1 to 10% by weight of niobium metal having the same cubic crystal structure as the α phase was added to tantalum metal.
[0024]
Each of the metal thin films formed as described above has a low specific resistance of 20 to 60 μΩcm, which is lower than that of a conventional α-phase tantalum thin film obtained by adding nitrogen.
[0025]
FIG. 1A shows the result of the X-ray diffraction measurement of the tantalum metal thin film of the above example. As can be seen from the above X-ray diffraction pattern, the thin film of the example is formed only of a low resistivity cubic crystal structure (α phase) of tantalum metal.
[0026]
FIGS. 1B, 1C, and 1D show X-ray diffraction patterns of a tantalum metal thin film manufactured by a conventional technique as a comparative example with respect to the above embodiment.
[0027]
The tantalum metal thin film measured in FIG. 1B was formed using a target consisting of only tantalum metal and supplying only an arcon gas as a sputtering gas.
[0028]
As can be seen from FIG. 1B, the tantalum thin film formed has a large metastable tetragonal crystal structure (β phase) with high specific resistance.
[0029]
The next X-ray diffraction pattern shown in FIG. 1C is deposited by adding 2 sccm of nitrogen (N 2 ) gas to the thin film forming conditions showing the X-ray diffraction pattern in the previous FIG. 1B. Of a thin tantalum metal thin film.
[0030]
As can be seen from FIG. 1C, the addition of nitrogen gas to the sputtering gas reduces the β phase and increases the low resistivity cubic crystal structure (α phase).
[0031]
Further, FIG. 1D shows an X-ray diffraction pattern of a tantalum metal thin film deposited by increasing the nitrogen gas to 4 sccm under the above-described film forming conditions. From FIG. 1 (D), it can be seen that the β phase has disappeared and only the α phase has remained.
[0032]
FIG. 2 shows the relationship between the amount of nitrogen added to the sputtering gas and the specific resistance of the formed thin film in the conventional deposition of a tantalum metal thin film with nitrogen addition. FIG. 2 shows that the specific resistance of the thin film is minimized when the added nitrogen gas is 4 sccm. As can be seen from FIGS. 1 and 2 described above, when the α phase is formed by the conventional method of adding nitrogen, it is necessary to essentially form the nitride insulator in the tantalum metal thin film. , And excess nitrogen addition increased the specific resistance of the thin film.
[0033]
In contrast to the above-described conventional nitrogen addition, the tantalum thin film to which niobium is added using the target of the alloy with the tantalum metal to which 1 to 10% by weight of niobium metal of this embodiment is added is lower than that of the conventional method. It has been found that a tantalum thin film having a specific resistance can be stably formed with good reproducibility.
[0034]
In the first embodiment described above, the metal film formed by the sputtering method using the tantalum target to which niobium is added in an amount of 1 to 10% by weight has been described. It can be expected that the same effect can be obtained even with an alloy having a higher ratio than the embodiment.
[0035]
( Embodiment 1 ) In this embodiment, a target to be used is a tantalum target in which the addition amount of niobium metal is reduced to 0.1 to 10% by weight and the addition amount of niobium is reduced, and a sputtering gas is 0.2 to 1 sccm. Was added to form a film. The specific resistance of each of the prepared thin films was 40 to 60 μΩcm, which was lower than that of the conventional tantalum thin film.
[0036]
The X-ray diffraction pattern of the thin film formed as described above indicates that the thin film is a tantalum metal thin film having a single low resistivity cubic crystal structure (α phase) as shown in FIG. .
[0037]
FIG. 3B shows an X-ray diffraction pattern of a tantalum thin film formed as a comparative example of Example 2 using only a target as a target and only a tantalum metal target. FIG. 3B corresponds to the conventional case where the amount of nitrogen gas added is extremely small, and it can be seen that the metastable tetragonal crystal structure (β phase) with high specific resistance is significantly increased. .
[0038]
The method of adding a small amount of nitrogen to the sputtering gas according to the present embodiment is effective when it is necessary to limit the amount of niobium added to tantalum, and by adding a small amount of niobium, a tantalum thin film can be formed. It has been found that the amount of nitrogen for achieving a given specific resistance can be reduced.
[0039]
As a result of analyzing the amount of nitrogen in the metal thin film formed in Example 2, the amount was 0.1 to 1 atomic%, and the nitrogen amount was 1/10 to 1/2 of that obtained by the conventional nitrogen addition method. It can be seen that the cubic crystal structure (α phase) is remarkably formed.
[0040]
( Reference Example 2 ) In this reference example , the structure of the target was changed, and instead of a target of an alloy of tantalum and niobium as in Reference Example 1, a target in which the area ratio of tantalum and niobium on the surface was a predetermined ratio. In this case, a film is formed by a sputtering method using the method.
[0041]
The specific resistance of the produced metal thin film was as good as 20 to 60 μΩcm, and its X-ray diffraction pattern was almost the same as in FIG. 1A, indicating that it was formed of a single α phase. .
[0042]
In this embodiment, the atomic ratio of niobium in tantalum after film formation is controlled to be 1 to 10%. However, the present invention does not limit the niobium ratio, and it is possible to change the niobium ratio. It is.
[0043]
In the above, the embodiment of the method of changing the area ratio of the tantalum and the niobium on the target has been described. However, the targets of the tantalum and the niobium are configured to be independent from each other, and the power of the sputter applied to each target is controlled. May be used as the metal thin film.
[0044]
( Embodiment 2 ) In this embodiment, a film is formed by controlling the targets of tantalum and niobium independently, and supplying a small amount of nitrogen gas to the sputtering gas.
[0045]
The metal thin film formed as described above exhibited a low specific resistance of 40 to 60 μΩcm, and its X-ray diffraction pattern also indicated that it was a single 1α-phase tantalum metal thin film.
[0046]
This embodiment is effective when it is desired to reduce the amount of niobium in tantalum, and the amount of added nitrogen becomes effective at 0.1 to 1 atomic% as a result of analysis. It was found that the α phase can be formed remarkably at / 10 to 2.
[0047]
( Embodiment 3 ) In this embodiment , a metal film is formed by a sputtering method using a tantalum metal target and a niobium metal target.
[0048]
In this film formation, a niobium metal thin film of 10 to 100 nm is formed on a substrate by a niobium target, and then a tantalum thin film is formed on the niobium metal thin film by a tantalum target. The specific resistance of the metal film formed as described above was as low as 20 to 60 μΩcm, and the X-ray diffraction pattern of the thin film showed that it had a single α-phase configuration.
[0049]
In this embodiment, tantalum is deposited on a very thin niobium thin film (10 to 100 nm) having the same structure as the low resistivity cubic crystal structure (α phase) of tantalum, and forced induction by the niobium thin film is performed. The tantalum thin film deposited thereon is aligned with the α phase.
[0050]
In the above embodiment, the thickness of the niobium thin film previously deposited is set to 10 to 100 nm. However, the thickness of the niobium thin film is not limited to this range in the present invention, and the subsequently deposited tantalum thin film can be guided to the α phase. Any thickness is acceptable.
[0051]
( Embodiment 4 ) Also in this embodiment, first, a niobium thin film of 1 to 100 nm is deposited using a niobium target, and subsequently, a tantalum is added by using a sputter gas to which a small amount of nitrogen (0.2 to 1 sccm) nitrogen gas is added. Deposits a thin film.
[0052]
The specific resistance of the metal thin film formed as described above was as good as 40 to 60 μΩcm, and the X-ray diffraction pattern of the thin film showed that it was a single low specific resistance α phase.
[0053]
The above example is effective when it is desired to reduce the thickness of the niobium thin film deposited first, and it has been found that the effect is obtained even when the thickness of the niobium thin film is about 1 nm.
[0054]
Although the various embodiments described above show that the tantalum thin film of the present invention can be stably formed at a low specific resistance, the present invention is not limited to the embodiments. A stacked film formed by continuously forming niobium and tantalum in a chamber for use may be formed by a plurality of chambers via a transfer gate valve. Film formation can be performed by changing the combination or the number of layers, and the film formation conditions can be changed depending on the purpose.
[0055]
【The invention's effect】
The tantalum thin film according to the present invention is formed by adding niobium to the thin film or forming a niobium thin film and depositing the thin film on the tantalum thin film so that the formed tantalum thin film has a low resistivity cubic structure (α phase). It is. Further, since the thin film made of the tantalum metal of the present invention can be manufactured by using a conventional sputtering apparatus, it can be used as a stable conductive thin film, especially for ICs, optical ICs, photoelectric conversion devices, optical devices requiring fine processing. It can be widely used in the field of electronics such as display devices.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing X-ray diffraction patterns of a tantalum thin film to which niobium is added and a conventional tantalum thin film to which nitrogen is added.
FIG. 2 is a diagram showing a change in specific resistance depending on the amount of nitrogen added to a tantalum thin film.
FIG. 3 is an X-ray diffraction pattern diagram showing the effect of the present invention in film formation in which a small amount of nitrogen is added to a sputtering gas.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an outline of a sputtering apparatus used for film formation in an example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
窒素元素を添加し、且つ、タンタルのα相と同じ結晶構造をもつニオブ金属を添加した合金からなることをり、比抵抗が40〜60μΩの金属薄膜で、前記窒素元素の量が0.1〜1原子%、前記ニオブ金属の量が0.1〜10重量%であることを特徴とする金属薄膜。A metal thin film mainly composed of tantalum metal and used as a conductor,
Elemental nitrogen was added, and, Ri in that it consists of adding an alloy niobium metal having the same crystal structure as α-phase tantalum, specific resistance of a metal thin film of 40~60Myuomega, the amount of the nitrogen element 0.1 A metal thin film , wherein the amount of the niobium metal is 0.1 to 10% by weight .
タンタルのα相と同一の結晶構造をもつニオブ金属を、タンタルの堆積膜中に添加して、堆積されるタンタル金属薄膜をα相にしてなり、窒素含有量が0.1〜1原子%であり、ニオブ金属含有量が0.1〜10重量%であり、比抵抗が40〜60μΩである、タンタル金属を主成分とする金属薄膜を得ることを特徴とする金属薄膜の製造方法。When manufacturing a metal thin film mainly containing tantalum metal by adding nitrogen gas to the sputtering gas,
Niobium metal having the same crystal structure as α-phase tantalum, be added to the deposited film of tantalum, a tantalum metal film deposited Ri name in the α-phase, a nitrogen content of 0.1 to 1 atomic% And obtaining a metal thin film containing tantalum metal as a main component and having a niobium metal content of 0.1 to 10% by weight and a specific resistance of 40 to 60 μΩ .
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