溅射膜形成用硅靶和形成含硅薄膜的方法

摘要

本发明提供溅射膜形成用硅靶和形成含硅薄膜的方法。提供了一种溅射膜形成用硅靶，其使得能够在溅射膜形成期间通过抑制粉尘产生而形成高品质的含硅薄膜。n型硅靶材10和金属背衬板20通过结合层40而彼此附着。在所述硅靶材10在所述结合材料40侧的表面上设置有由功函数比所述硅靶材10小的材料制成的导电层30。即，所述硅靶材10通过所述导电层30和所述结合层40而附着至所述金属背衬板20。在单晶硅的情况下，n型硅的功函数通常为4.05eV。所述导电层30的材料的功函数需要小于4.05eV。

说明书

技术领域

本发明涉及溅射膜形成用硅靶和形成含硅薄膜的方法。

背景技术

含硅薄膜如硅膜、二氧化硅膜、氮化硅膜以及氮氧化硅膜用于多 种领域中。例如，含硅薄膜在半导体器件领域中用作绝缘膜和介电膜、 在光学材料领域中用作抗反射膜或者在光掩模技术领域中用作遮光膜 和相移膜。

已经将使用含硅靶材的溅射方法广泛用于形成含硅薄膜，原因在 于可以以低成本实施所述方法，其中的材料限制相对较少并且所述方 法高度可控。

含硅靶材通常通过导电结合材料如铟和锡而附着至金属背衬板。 对所述背衬板施加电压，并且所述电压通过所述结合材料而到达所述 硅靶材。由此因电阻而产生热。因此，通常将具有优异的冷却效率和 电导率的无氧铜等用于背衬板。

硅靶材为典型的含硅靶材。为了改善与结合材料的润湿性，优选 在所述靶材的结合表面上设置具有约1至10μm厚度的铜、铬、镍等的 胶粘层(日本专利特开平7-268616)。

当靶材具有高电阻时，在溅射期间可能发生异常放电如电弧放电。 因此，靶材优选具有低电阻。已经提及了通过添加掺杂剂如硼而使其 电阻降低的硅靶材(日本专利特开2003-322955)。

本发明人对于如下进行了实验：通过使用因添加掺杂剂而使电阻 降低且导电类型为n型的硅靶材在光掩模板上形成用作遮光膜或相移 膜的硅化合物薄膜，与由过渡金属材料等制成的靶材相比，确认了在 其中产生更多数量粉尘的现象。

本发明人还确认了，即使当通过增加添加至硅靶材中施主(donor) 的量而降低电阻率时，使用所述n型硅靶材时产生的粉尘量也未降低。 所产生的粉尘在形成的含硅薄膜中造成缺陷，并由此劣化膜的品质。

为解决上述问题而完成了本发明，并且本发明的目的是提供溅射 膜形成用硅靶，其使得能够在溅射膜形成期间通过抑制粉尘的产生而 形成高品质含硅薄膜。

发明内容

为实现上述目的，根据本发明的溅射膜形成用硅靶是其中硅靶材 通过结合材料而附着至金属背衬板的溅射膜形成用硅靶，其中所述硅 靶材由导电类型为n型的硅制成，并且在所述硅靶材于所述结合材料 侧的表面上设置有由功函数比所述硅靶材小的材料制成的导电层。

优选地，所述导电层包含镧系元素、稀土元素、碱金属元素和碱 土金属元素中的一种。

更优选地，所述导电层包含Y和镧系元素中的一种。

优选地，所述硅靶材在室温下的电阻以体积电阻率计为1Ωcm以 上。

优选地，所述硅靶材为单晶。

在根据本发明的形成含硅薄膜的方法中，通过使用上述靶由含有 氮和氩的气体来进行溅射。

在本发明中，在所述靶材的所述结合表面上设置有由功函数比所 述n型硅靶材小的材料制成的导电层。因此，减少了溅射膜形成期间 的带电(charge up)，并且抑制了粉尘的产生。结果，可形成高品质的含 硅薄膜。

附图说明

图1是用于说明根据本发明的溅射膜形成用硅靶的构造的示意性 截面图；以及

图2A和2B分别是n型硅靶材和导电层的能带图以及其中将所述 n型硅靶材和所述导电层结合在一起的能带图。

具体实施方式

在下文中，将通过参考附图而具体地描述根据本发明的溅射膜形 成用硅靶。

作为对通过使用导电类型为n型的硅靶材进行溅射而形成含硅薄 膜时抑制粉尘产生的认真研究的结果，本发明人推断，粉尘的产生是 由在所述n型硅靶材和背衬板之间的结合部中发生的带电所引起的。

常规的硅靶材通过结合层而结合至金属背衬板。所述结合层由具 有低熔点的结合材料诸如金属如In和Sn或其合金制成。当将所述结合 层结合至所述靶材时，可以在所述靶材的结合表面上形成金属膜以改 善所述结合表面的润湿性及其粘附强度(日本专利特开平7-268616)。

根据本发明人的研究，如果没有考虑所述n型硅靶材和所述结合 层之间的结合部中的电能势垒来选择材料，则由于在结合界面中产生 的电能势垒而发生带电，由此导致粉尘的产生。

基于该发现，本发明提供了一种溅射膜形成用硅靶，其中由导电 类型为n型的硅制成的靶材通过结合材料(结合层)而附着至金属背衬 板，其中在所述硅靶材于所述结合材料侧的表面上设置有由功函数比 所述硅靶材小的材料制成的导电层。由此在附着区域中防止了电能势 垒的产生，从而抑制了粉尘的产生。功函数是指将电子从材料表面移 出至无限远所需要的最小能量。

图1是用于说明根据本发明的溅射膜形成用硅靶的构造的示意性 截面图。在图中，标号10表示由导电类型为n型的硅制成的靶材，并 且标号20表示金属背衬板。所述n型硅靶材10和所述金属背衬板20 通过结合层40而彼此附着。在所述硅靶材10于所述结合层40侧的表 面上设置有由功函数比所述硅靶材10小的材料制成的导电层30。即， 所述硅靶材10通过所述导电层30和所述结合层40而附着至所述金属 背衬板20。

图2A和2B分别是所述n型硅靶材和所述导电层的能带图以及其 中将所述n型硅靶材和所述导电层结合在一起时的能带图。

本发明人注意到作为半导体的n型硅靶材的功函数和与其接触的 导电层的功函数之间的差。假定所述导电层的功函数Φm大于所述n 型硅靶材的功函数Φn(4.05eV)。在这种情况下，当在膜形成期间施加 电压时，所述导电层和所述靶材的结合表面形成整流接触，其中在电 压方向上的所述导电层侧为负而所述n型硅靶材侧为正。因此，阻挡 了电流，并且不能在所述靶材表面附近的区域中保持充分量的电子。 也不能充分释放电荷，因此发生异常放电。

然而，如图2A和2B所示，在导电层的功函数Φm小于n型硅靶 材的功函数Φn的情况下，即使当如上所述在膜形成期间施加电压时， 所述导电层和所述n型靶材的结合表面形成所谓的欧姆接触。因此， 在所述结合表面中没有产生能量势垒，由此抑制了异常放电。

因此，在本发明中，由于设置了由功函数比所述n型硅靶材小的 材料制成的导电层，所以减少了带电。由此能够大大减少在溅射膜形 成期间所产生的粉尘量。

当导电层的功函数大于n型硅靶材的功函数时，在所述n型硅靶 材的结合表面中产生能量势垒，从而阻挡了电流。因此，发生异常放 电，或者变得难以引发溅射放电。

在单晶硅的情况下，n型硅的功函数通常为4.05eV。因此，用于 导电层的材料的功函数需要小于4.05eV。可以将包含镧系元素、稀土 元素、碱金属元素和碱土金属元素作为主要成分的材料用作上述材料。 根据本发明的导电层优选包含镧系元素、稀土元素、碱金属元素和碱 土金属元素之一。所述材料也可以为化合物如包含上述元素的硼化物 和碳化物。所述材料可进一步包含氧等。

更具体地，镧系元素的例子包括La、Ce、Nd、Sm、Eu、Gd和 Tb。稀土元素的例子包括Y和Sc。碱金属元素的例子包括Li、Na和 K。碱土金属元素的例子包括Mg、Ca、Sr和Ba。也可以将化合物如 GaAs和TaN用作导电层材料。特别地，Y具有3.1eV的低功函数，在 空气中稳定，因此优选将其用作所述材料。

只要可以将在硅靶材和导电层的结合表面中产生的电势垒充分消 除，则可以将导电层的厚度设定为任意值，例如将其设定为0.1至10μm。

只要用于本发明的硅靶材由n型硅制成，则所述硅靶材可以为单 晶或多晶，或者可以为浇铸体或烧结体。由于单晶硅具有高密度和较 少的空隙，所以难以发生粉尘产生和异常放电。

还优选通过蚀刻等从硅靶材于结合层侧的表面(结合表面)预先除 去加工应变层。通过除去所述加工应变层可防止靶材破裂。尽管所述 硅靶材可具有平滑的结合表面，但是更优选使用粗糙表面以改善与导 电层的电接触。

为了将硅靶材的结合表面以没有加工应变的方式粗糙化，优选在 所述结合表面上进行蚀刻如湿式蚀刻或干式蚀刻。通过蚀刻，可以将 所述硅靶材的所述结合表面微细均匀地粗糙化。

为了在硅靶材的结合表面上形成导电层，可以使用常规的金属化 方法。所述方法的例子包括溅射法、蒸镀法和电镀法。

背衬板可以由常规材料如无氧铜和铝制成。

结合层可还由常规材料如铟、锡或其合金制成。

可在导电层和结合层之间设置Cr等的金属层以改善润湿性和粘附 性。

可通过直流溅射和射频溅射两者从而将根据本发明的硅靶用于形 成含硅薄膜。从抑制粉尘产生的观点来看，更优选直流溅射。这是因 为，直流溅射更容易受硅靶材和背衬板之间的电结合状态影响。

可以将根据本发明的硅靶用于磁控溅射，还可以将其用作对向型 靶。

对通过使用本发明的靶进行溅射膜形成时的条件没有特殊限制。 可以将惰性气体如Ar、He和Ne用作溅射气体。还可以使用氧气、氮 气、氮氧化物气体、烃气体、一氧化碳或二氧化碳。优选含氮和Ar的 气体用于进行溅射。

所述靶不限于特别形状，并且可具有板状形状或圆锥形状。在板 状形状的情况下，可以使用任何形状如圆板形、矩形和环状。

通过使用根据本发明的溅射膜形成用硅靶，抑制了带电从而抑制 了粉尘的产生。所述优点不取决于根据本发明的硅靶材的电阻率。

通常认为，为了抑制溅射处理期间的粉尘产生，使靶材的电阻率 低是有效的。当靶材由n型硅制成时，随着电阻率降低，需要添加更 多量的作为施主杂质的P或As。然而，当添加更多量的施主杂质时， 易于将所述杂质引入到通过溅射形成的含硅薄膜中，从得到高品质膜 的观点来看这是不优选的。

因此，硅靶材的电阻在室温下以体积电阻率计优选为1Ωcm以上。 体积电阻率更优选为10Ωcm以上，并且最优选50Ωcm以上。

实施例

将通过浮区法制造的具有200Ωcm电阻率的n型单晶硅切割成 5mm的厚度。为了除去硅衬底表面上的应变层，使用通过以2∶5∶3的体 积比将氟(50重量％的浓度)、硝酸(70重量％的浓度)和甲醇混合而得到 的化学溶液实施蚀刻。通过在如上所述得到的n型硅靶材的一个表面 上进行溅射而形成500nm的Y膜作为导电层。还在所述Y膜上形成 500nm的Cr膜作为金属膜。通过包含铟作为主要成分的结合材料将所 述Cr膜和无氧铜的背衬板结合在一起，从而得到溅射膜形成用硅靶。

准备了由合成二氧化硅制成的152平方毫米的光掩模衬底，并且 通过使用上述硅靶进行直流溅射而在所述衬底上形成具有76nm膜厚 的MoSiON膜(Mo∶Si∶O∶N＝1∶4∶1∶4)。将氩气、氮气和氧气用作溅射气体。

当通过使用由Lasertec Corporation制造的Magics 2351来对如上所 述得到的MoSiON膜实施缺陷测量时，具有0.1μm以上尺寸的缺陷数 为2。得到了具有很少缺陷的膜。

比较例

将通过浮区法制造的具有200Ωcm电阻率的n型单晶硅切割成 5mm的厚度。为了除去硅衬底表面上的应变层，使用通过以2∶5∶3的体 积比将氟(50重量％的浓度)、硝酸(70重量％的浓度)和甲醇混合而得到 的化学溶液实施蚀刻。在如上所述得到的n型硅靶材的一个表面上形 成500nm的Cr膜作为金属膜。通过包含铟作为主要成分的结合材料将 所述Cr膜和无氧铜的背衬板结合在一起，从而得到溅射膜形成用硅靶。

准备了由合成二氧化硅制成的152平方毫米的光掩模衬底，并且 在与实施例相同的成膜条件下，通过使用上述硅靶进行直流溅射而在 所述衬底上形成具有76nm膜厚的MoSiON膜(Mo∶Si∶O∶N＝1∶4∶1∶4)。将 氩气、氮气和氧气用作溅射气体。

当通过使用由Lasertec Corporation制造的Magics 2351来对如上所 述得到的MoSiON膜实施缺陷测量时，具有0.1μm以上尺寸的缺陷数 为10，这是实施例的五倍。

在本发明中，在靶材的结合表面上设置有由功函数比所述n型硅 靶材小的材料制成的导电层。因此，减少了在溅射膜形成期间的带电 从而抑制了粉尘的产生。结果，可形成高品质的含硅薄膜。