(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンタル金属を主成分とし、導体として用いる金属薄膜であって、
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。
【請求項２】
ニオブ金属の薄膜上に窒素元素を含むタンタル薄膜を形成し、積層構造にしたことを特徴とする金属薄膜。
【請求項３】
前記ニオブ金属の薄膜の膜厚が、１０ｎｍから１００ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項２に記載の金属薄膜。
【請求項４】
スパッタリングガスに窒素ガスを添加してタンタル金属を主成分とする金属薄膜を製造する際、
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。
【発明の詳細な説明】
【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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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