DE3852912T2 - Verfahren und Gerät zur Kathodenzerstäubung. - Google Patents

Verfahren und Gerät zur Kathodenzerstäubung.

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG TECHNISCHER BEREICH DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Dünnfilms durch Ionenaufprall. Die Erfindung ist insbesondere für eine Anwendung auf Sperrschichten oder Verdrahtungsfilme integrierter Schaltungen großen Maßstabs geeignet.
    • BESCHREIBUNG DES BEKANNTEN STANDS DER TECHNIK
  • Da die Dichte der Integration bei integrierten Schaltungen großen Maßstabs (LSIs) oder integrierten Schaltungen sehr großen Maßstabs (VLSIs) hoch wird, werden die Durchmesser von Kontaktbohrungen zwischen einem Siliziumsubstrat und einem Aluminium-Verdrahtungsfilm und von Durchgangsbohrungen zwischen Aluminium-Verdrahtungsfilmen klein, wodurch, wie in Fig. 21 dargestellt, ein größeres Aspektverhaltnis auftritt. Bei einem allgemein in der Technik verwendeten Magnetron-Zerstäubungsverfahren wird, wenn sich das Aspektverhältnis 1 nähert, die in Fig. 21 dargestellte Stufenabdeckung aufgrund der Beschattungswirkung bei der Zerstäubungsablagerung von Verdrahtungsmaterial minderwertig, so daß ein Verdrahtungsfehler aufgrund eines Anstiegs des Verdrahtungswiderstands oder der Elektromigration auftreten kann. Um derartige Nachteile zu beseitigen, wurde ein Vorspannungs-Zerstäubungsverfahren, wie in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung JP-A-61-261472 (entspricht der EP-A-202572) und der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung JP-A-61-214174 (ohne entsprechende Auslandsanmeldung) offenbart, entwickelt, bei dem ein Film gebildet wird, während durchgehend negative Spannungen an ein Target und ein Substrat angelegt werden. Das Prinzip eines Gleichstrom-Magnetron-Vorspannungs-Zerstäubungsverfahrens ist in Fig. 16 beispielhaft dargestellt. Eine Zerstäubungs-Gleichstrom-Energiequelle 12 ist mit einem Target 6 verbunden, während eine Vorspannungs(Rückzerstäubungs)-Gleichstrom-Energiequelle 11 mit einem Substrat verbunden ist. Diese negativen Elektroden werden, wie in Fig. 17 dargestellt, bei der Filmerzeugung immer mit negativen Gleichstromspannungen versorgt, so daß ein Film gebildet wird, während das Substrat 8 einem Ar-Ionenaufprall (einer Rückzerstäubung) unterzogen wird. Daher wird die Stufenabdeckung im Vergleich zu dem Zerstäubungsverfahren, das keine Vorspannung verwendet, verbessert. In Fig. 16 bezeichnet das Bezugszeichen 7 Magnete, das Bezugszeichen 10 Isolatoren und das Bezugszeichen 17 eine Vakuumkammer.
  • Es wurde jedoch festgestellt, daß die Kristallausrichtung (111) eines durch das Vorspannungs-Zerstäubungsverfahren gebildeten Aluminium-Verdrahtungsfilms erheblich verschlechtert wird. Es ist bekannt, daß die Ausrichtung von Kristallkörnern mit einer Elektromigration und einer Belastungsmigration zusammenhangt, und je ausgezeichneter die Ausrichtung wird, desto mehr wird die Toleranz gegen Elektromigration und Belastungsmigration verbessert. Es wurde ebenfalls festgestellt, daß das Vorspannungs-Zerstäubungsverfahren Risse in einer Sperrschicht und eine mindere Sperrwirkung verursachen kann.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Dünnfilmerzeugungs verfahren und eine Dünnfilmerzeugungsvorrichtung zu schaffen, die in der Lage sind, die Stufenabdeckung und die Qualität eines Aluminium-Verdrahtungsfilms integrierter Schaltungsvorrichtungen zu verbessern.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Zerstäubungs- oder Dampfabscheidungsverfahren für die Ausführung des oben angesprochenen Dünnfilm-Erzeugungsverfahrens zu schaffen.
  • Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß jeweils durch ein Verfahren und eine Vorrichtung nach Anspruch 1 bzw. 7 gelöst.
  • Die Faktoren, die die Ausrichtung von Kristallkörnern beeinträchtigen, sind Verunreinigungsgase wie 0&sub2;, N&sub2;, H&sub2;O und ahnliche, in der Vakuumkammer verbleibende. Eine Beimischung von Verunreinigungsgasen in Zerstäubungspartikel erzeugt kristalline Kerne mit unterschiedlichen Kristallausrichtungen und Ablagerungsfehlern während eines Wachstumsprozesses, wodurch die Filmqualität vermindert wird.
  • Fig. 18 stellt schematisch einen Filmerzeugungsmechanismus eines herkömmlichen Gleichstrom-Magnetron-Vorspannungs-Zerstäubungsverfahrens dar. Da das Substrat 8 und das Target 6, wie in den Figuren 16 und 17 dargestellt, standig mit negativen Spannungen versorgt werden, werden Teile von auf dem Substrat abgelagertem Aluminium und Verunreinigungen einer Rückzerstäubung unterzogen. Rückzerstäubte Verunreinigungen zerfallen und werden in atomarem Zustand aktiviert, wobei die Verunreinigungen erneut mit Aluminium-Zerstäubungspartikeln von dem Target vermengt werden, wodurch die Filmqualität weiter verschlechtert wird. Erfindungsgemäß werden negative Spannungen, deren Wellenformen in Fig. 2 schematisch dargestellt sind, abwechselnd an das Target und das Substrat angelegt, um die oben genannten Probleme zu lösen. Die Figuren 4 und 5 stellen einen erfindungsgemaßen Filmerzeugungsmechanismus dar. Aluminium-Zerstäubungspartikel werden auf dem Substrat abgelagert, wobei eine negative Spannung an das Target angelegt wird. Bei diesem Prozeß werden in der Vakuumkammer verbliebene Verunreinigungsgase in das Innere des Films auf der Substratoberfläche eingeführt. Als nächstes wird die an das Target angelegte Spannung abgeschaltet, und eine negative Spannung wird an das Substrat angelegt, wodurch ein Teil des auf dem Substrat abgelagerten Aluminiums und der Verunreinigungen durch Ar-Ionenaufprall einer Rückzerstäubung unterzogen werden, wodurch der Film gereinigt und geformt wird. Die oben beschriebenen Prozesse werden abwechselnd und kontinuierlich wiederholt, so daß ein Film mit einer guten Ausrichtung und Stufenabdeckung gebildet wird. Erfindungsgemäß ist eine Stufenabdeckung von 0,3 oder mehr möglich. Wenn auf einem Substrat mit einer Ausnehmung ein Film erzeugt wird, ist der Film an der unteren und den seitlichen Wänden der Ausnehmung und der die Ausnehmung umgebenden Oberseite im wesentlichen parallel zu der darunterliegenden Oberfläche des Substrats und an der Kante der Ausnehmung geneigt. Die prinzipielle Idee der Erfindung wurde oben dargelegt. Wenn jedoch die Zerstäubungs- und Vorspannungen abwechselnd auf eine Nullspannung abgeschaltet werden, ist der Filmerzeugungs-Entladungsbereich begrenzt. Der Grund ist, wie folgt: Wie bei der in Fig. 1 gezeigten erfindungsgemaßen Vorrichtung dargestellt, sind zum Fokussieren von Plasma und zum Ermöglichen einer Zerstäubungsentladung im Bereich von 1,33 10&supmin;³ hPa (10&supmin;³ Torr) Magnete 7 auf dem Target vorgesehen. Da jedoch auf dem Substrat 8 keine Magnete vorgesehen sind, tritt selbst beim Anlegen einer negativen Spannung an das Substrat keine Entladung auf Daher wird das Substrat keiner Rückzerstäubung unterzogen. Wenn jedoch zwischen dem Target 6 und dem Substrat 8 eine Spule 5 angeordnet ist und ein hochfrequenter Strom veranlaßt wird, zur Erzeugung von Plasma hindurchzuströmen, wird es möglich, Entladung und Rückzerstäubung in einem Hochvakuumbereich stabil zu halten. Erfindungsgemäß kann der Druck einer Ar-Atmosphäre auf 1,33 10&supmin;³ hPa (10&supmin;³ Torr) oder weniger gesenkt werden. Dementsprechend wird eine Entladung zwischen dem Target 6 und der elektrisch geerdeten Vakuumkammer 17 vollständig verringert, und eine Entladung zwischen dem Substrat und der geerdeten Vakuumkannner kann veranlaßt werden, wenn das Substrat auf einem bestimmten Spannungsniveau mit Energie versorgt wird. Unter bestimmten Filmerzeugungsbedingungen kann die Entladung (der Vorspannungsstrom) unzureichend werden. In einem derartigen Fall wird, nach dem Umschalten einer negativen Spannung von dem Target zu dem Substrat, wie aus den in Fig. 3 dargestellten Wellenformen hervorgeht, erfindungsgemaß eine Zerstäubungsentladung durch Anlegen einer negativen Basisspannung (Energie) mit einer geringeren absoluten Größe als bei der Zerstäubung (bei der Filmerzeugung) an das Substrat, ohne sie auf Null zu setzen, zu einer Fortdauer veranlaßt. Dadurch strömen Teile der Ar-Ionen in das Substrat, das daraufhin einer Rückzerstäubung unterzogen wird. Wenn der absolute Wert dieser Basisspannung zu hoch eingestellt wird, wird die Menge der wieder in den Film eingeführten Verunreinigungen groß, so daß ein optimaler absoluter Wert der Basisspannung bestimmt werden kann. Zusätzlich zu den oben dargelegten Faktoren werden weitere Faktoren wie eine Schaltperiode, ein Leitungsverhaltnis einer Vorspannung zur Zerstäubung und ähnllches geeignet gewählt, um die Filmcharakteristik und die Stufenabdeckung erheblich zu verbessern.
  • Vorzugsweise wird bei einem leitfähigen Metallfilm eine Gleichstrom- Vorspannungs-Schaltzerstäubung und bei einem Isolierfilm eine Hochfrequenz- Vorspannungs-Schaltzerstäubung verwendet.
  • Nach einem erfindungsgemaßen Zerstäubungsverfahren ist es möglich, den Druck von Ar-Gas in einer Vakuumkammer auf 1,33 10&supmin;³ hPa (10&supmin;³ Torr) oder weniger einzustellen. Daher kann das Mischen von in der Atmosphäre enthaltenen Verunreinigungen wie O&sub2;, N&sub2;, H&sub2;O oder ahnlichem mit dem Film unterdrückt und dementsprechend eine gute Filmqualität erzielt werden. Wenn das erfindungsgemaße Filmerzeugungsverfahren zur Erzeugung eines Aluminium-Verdrahtungsfilms einer integrierten Schaltungsvorrichtung angewendet wird, ist es möglich, einen Film zu erzielen, dessen Spitzenwert der Röntgenstrahl-Diflraktionsfestigkeit in der (111)-Ebene bei 150 Kcps oder mehr und dessen Stufenabdeckung bei 0,3 oder mehr liegt. Aufgrund dessen wird es möglich, das Auftreten eines Verdrahtungsbruchs aufgrund einer Elektromigration schwierig zu machen.
  • Die Wirkung der Möglichkeit, das Auftreten einer Elektromigration eines Verdrahtungsfilms zu verhindern, kann nicht nur bei reinen Aluminium- Verdrahtungsfilmen genutzt werden, sondern auch bei sämtlichen Al-Legierungs- Verdrahtungsfilmen wie bei Al-Cu-Si-Legierungs-Verdrahtungsfilmen, Al-Pd-Si- Legierungs-Verdrahtungsfilmen und Al-Si-Legierungs-Verdrahtungsfilmen. Dementsprechend kann nicht nur reines Aluminium, sondern auch eine Al-Legierung als Verdrahtungsfilm einer integrierten Schaltungsvorrichtung verwendet werden.
  • Wenn das erfindungsgemäße Filmerzeugungsverfahren für eine Sperrschicht einer integrierten Schaltungsvorrichtung angewendet wird, weist die entstandene Sperrschicht einen geschichteten Aufbau körniger und stangenförmiger Kristalle oder einen gemischten Aufbau aus diesen auf, so daß sie eine wirkungsvolle Sperrwirkung und einen hohen spezifischen Widerstand aufweist.
  • Ein Material für eine Sperrschicht ist vorzugsweise TiN und TiW, die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.
  • Das erfindungsgemäße Filmerzeugungsverfahren ist nicht nur auf eine integrierte Schaltungsvorrichtung anwendbar, sondern auch auf sämtliche Vorrichtungen, bei denen ein leitfahiger Film oder ein Isolierfilm auf einem Substrat gebildet wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Filmerzeugungsverfahren werden vorzugsweise eine Vakuumkammer geerdet und negative Impulsspannungen abwechselnd sowohl an ein Target als auch ein Substrat angelegt.
  • Ebenso wird vorzugsweise der Spitzenwert eines an das Target angelegten Impulses höher eingestellt als der Spitzenwert eines an das Substrat angelegten Impulses.
  • Vorzugsweise wird die Zeitspanne, während der eine negative Impulsspannung an das Target angelegt wird, länger eingestellt, als die, während der eine negative Impulsspannung an das Substrat angelegt wird.
  • Ferner wird vorzugsweise die Basisspannung am Target höher eingestellt als die am Substrat.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm, das den Aufbau einer Ausführungsform einer erflndungsgemaßen Filmerzeugungsvorrichtung darstellt;
  • Fig. 2 und Fig. 3 stellen Beispiele von Wellenformen dar, die bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung verwendet werden;
  • Fig. 4 und Fig. 5 veranschaulichen einen erfindungsgemäßen Filmerzeugungsmechanismus;
  • Fig. 6 ist eine charakteristische Kurve, die einen Entladungs-Grenzdruck darstellt;
  • Fig. 7 und Fig. 8 sind charakteristische Kurven einer Röntgenstrahlen- Diffraktionsfestigkeit im Verhältnis zu Schaltfaktoren;
  • Fig. 9 ist eine charakteristische Linie einer Bruchdauer im Verbaltnis zu einer Röntgenstrahlen-Diffraktionsfestigkeit;
  • Fig. 10 ist eine charakteristische Kurve einer Stufenabdeckung im Verhältnis zu einem Vorspannungsverhältnis;
  • Fig. 11 stellt Beispiele von Hochfrequenz-Wellenformen dar, die für Zerstäubung und Vorspannung verwendet werden;
  • Fig. 12 stellt den Aufbau eines erfindungsgemaß gebildeten TiN-Films schematisch dar;
  • Fig. 13 ist ein schematisches Blockdiagramm, das den Aufbau einer weiteren Ausführungsform einer Dünnfilmerzeugungsvorrichtung darstellt;
  • Fig. 14 stellt Beispiele von Wellenformen dar, die bei der in Fig. 13 dargestellten Vorrichtung verwendet werden;
  • Fig. 15 ist ein schematisches Blockdiagramm, das den Aufbau einer weiteren Ausführungsform einer Dünnfilmerzeugungsvorrichtung darstellt;
  • Fig. 16 stellt den Aufbau einer herkömmlichen Gleichstrom-Magnetron- Vorspannungs-Zerstäubungsvorrichtung dar;
  • Fig. 17 stellt Beispiele von Wellenformen dar, die in der in Fig. 16 dargestellten Vorrichtung verwendet werden;
  • Fig. 18 veranschaulicht einen Filmerzeugungsmechanismus, der mit den Figuren 16 und 17 in Zusammenhang steht;
  • Fig. 19 ist eine schematische Ansicht des Aufbaus eines nach einem herkömmlichen Gleichstrom-Magnetron-Vorspannungs-Zerstäubungsverfahren gebildeten TiN-Films;
  • Fig. 20 ist eine schematische Ansicht des Aufbaus eines nach einem herkömmlichen Gleichstrom-Magnetron-Zerstäubungsverfahren ohne Vorspannung gebildeten TiN-Films;
  • Fig. 21 ist eine Ansicht, die zur Erläuterung eines Aspektverhaltnisses und einer Stufenabdeckung verwendet wird;
  • Fig. 22 stellt eine charakteristische Kurve und charakteristische Linien eines Ar-Atmosphärendrucks im Verhältnis zu einer Röntgenstrahlen- Diffraktionsfestigkeit bei der Erzeugung eines Al-Films dar; und
  • Fig. 23 ist ein Teilquerschnitt einer integrierten Schaltungsvorrichtung, die eine der Anwendungen der Erfindung darstellt.
    • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN (Beispiel 1)
  • Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 wird eine Ausführungsform einer erfindungsgemaßen Dünnfilm-Erzeugungsvorrichtung beschrieben. Fig. 3 stellt in der Vorrichtung verwendete Wellenformen in Diagrammform dar. In Fig. 3 bezeichnet PW eine Zerstäubungs-Spitzenenergie, BW eine Zerstäubungs-Basisenergie, PV eine Vorspannungs-Spitzenspannung, BV eine Vorspannungs-Basisspannung, BW/PW ein Zerstäubungs-Basisenergieverhäitnis, T2/(T1 +T2) ein Vorspannungsverhältnis und (T1+T2) eine Schaltperiode. Nach Fig. 1 umfaßt die Dünnfilmerzeugungsvorrichtung eine durch die Wellenform gesteuerte Zerstäubungs-Energiequelle 2, eine von einer Wellenform mit konstanter Spannung gesteuerte Rückzerstäubungs-Energiequelle 1, einen Vorspannungsstrom-Erfassungssensor 4, eine Hochfrequenzspule 5 zur Plasmaerzeugung, eine Vorspannungsstrnm-Steuerungs-Hochfrequenz-Energiequelle 3 zur Steuerung des Vorspannungsstroms und zum Ermöglichen einer stabilen Entladung in einem Hochvakuumbereich, eine Vakuumkammer 17, in der ein Film gebildet wird, ein Substrat (beispielsweise ein Si-Substrat) 8, ein Target 6, einen Isolator 10 und einen wahlweisen Wellenform-Generator 9 aus einer CPU und ähnlichem zum Einstellen einer Zerstäubungsenergie, einer Vorspannung und Stromwellenformen unter einer Programmsteuerung.
  • Bei der wie oben beschrieben aufgebauten Dünnfilm- Erzeugungsvorrichtung stellt zunächst der wahlweise Wellenform-Generator 9 die Zerstäubungsenergie-Wellenform, die Vorspannungs-Wellenform (Rückzerstäubungs- Wellenform) und den Vorspannungsstrom ein. Diese von dem wahlweisen Wellenform-Generator 9 eingestellten Signale werden der durch die Wellenform gesteuerten Zerstäubungs-Energiequelle 2, der durch eine Wellenform mit konstanter Spannung gesteuerten Rückzerstäubungs-Energiequelle 1 und der den Vorspannungsstrom steuernden Hochfrequenz-Energiequelle 3 zugeführt. Diese Energiequellen haben Feedbackfunktionen, um die eingestellten Wellenformen selbst bei einer Änderung der Belastungen und ähnlichem aufrecht zu erhalten. Daher beeinträchtigt eine Änderung eines der eingestellten Werte die anderen Werte nicht. Ein Vorspannungsstrom-Steuerverfahren, das eines der Merkmale der Erfindung ist, wird genau beschrieben. Ein Vorspannungsstrom mit der beispielsweise auf 150 V eingestellten Vorspannung PV wird geändert, wenn beispielsweise eine Zerstäubungsenergie geändert wird. Um dies zu vermeiden, wird ein Vorspannungsstrom durch den Vorspannungsstrom-Erfassungssensor 4 erfaßt und mit einem von dem wahlweisen Wellenform-Generator 9 erzeugten Signal verglichen. Auf der Grundlage dieses Vergleichs wird der Vorspannungsstrom durch Steuerung einer der Hochfrequenzspule 5 mittels der Hochfrequenz-Energiequelle 3 zur Steuerung des Vorspannungsstroms zugeführten Hochfrequenzenergie auf dem eingestellten Wert gehalten. Diese Vorgänge dienen dem Stabilhalten einer Entladung in einem Hochvakuumbereich.
  • Als nächstes erfolgt unter Bezugnahme auf die Figuren 6 bis 10 eine Erläuterung der Erzeugung eines Dünnfilms durch die in Fig. 1 dargestellte Dünnfilm- Erzeugungsvorrichtung. Die im folgenden beschriebene Dünnfilmerzeugung erfolgte unter den Bedingungen, daß ein Target eine Al-Legierung mit 1 Gew. -% Si, ein Substrat ein Si-Plättchen, ein erzielter Vakuumdruck 4 10&supmin;&sup7; hPa (3 10&supmin;&sup7; Torr) und ein Entladedruck 6,67 10&supmin;&sup4; hPa (5 1&supmin;&sup4; Torr) unter einer Ar-Atmosphäre waren. Das Verhältnis zwischen einer Hochfrequenzenergie (die der Spule zugeführt werden soll) und einem Ar-Atmosphärendruck in bezug auf die Fortsetzung einer Zerstäubungsentladung ist in Fig. 6 dargestellt, wobei eine Zerstäubungsenergie konstant auf 500 W eingestellt war und eine der Spule zugeführte Hochfrequenzenergie in dem Bereich von 0 bis 200 W variiert wurde. Der Entladungs-Grenzdruck bei einer Hochfrequenzenergie von 0 W lag bei 12 10&supmin;&sup4; hPa (9 10&supmin;&sup4; Torr). Bei einem Anstieg der Hochfrequenzenergie sank jedoch der Entladungs-Grenzdruck. Lag die Hochfrequenzenergie bei ca. 100 W, sank der Entladungs-Grenzdruck wenig und blieb in wesentlichen konstant. Bei einer Hochfrequenzenergie über 100 W blieb der Entladungs-Grenzdruck bei 10.67 10&supmin;&sup5; hPa (8 10&supmin;&sup5; Torr). Wie aus dem oben beschriebenen hervorgeht, kann erfindungsgemaß eine Entladung in einem Vakuumbereich erfolgen, der zehn- oder mehrfach höher ist als bei einem herkömmlichen Gleichstrom-Zerstäubungsverfahren, wodurch die Filmqualität verbessert wird. Die Hochfrequenzenergie liegt, wie aus Fig. 6 hervorgeht, vorzugsweise in einem Bereich von 100 bis 200 W.
  • Fig. 7 stellt das experimentelle Ergebnis der Erforschung des Einflusses eines Zerstäubungs-Basisenergieverhaltnisses bei einer Röntgenstrahlen- Diffraktionsfestigkeit in (111)-Ausrichtung unter den Bedingungen dar, daß eine Schaltperiode (T1+T2) 1 Sekunde, eine Vorspannungs-Spitzenspannung PV 150 V, eine Vorspannungs-Basisspannung BV 50 V, ein Vorspannungsstrom 0,3 A betrug und ein Zerstäubungs-Basisenergieverhältnis von 0 auf 1 (BW/PW) geändert wurde. Die Röntgenstrahlen-Diffraktionsfestigkeit von 370 Kcps wurde bei einem Zerstäubungs-Basisenergieverhältnis von ca. 0 bis 0,3 erzielt. Bei einem größeren Zerstäubungs-Basisenergieverhältnis sank die Röntgenstrahlen-Diffraktionsfestigkeit in einem derartigen Maße erheblich, daß die Röntgenstrahlen-Diffraktionsfestigkeit bei einem Zerstäubungs-Basisenergieverhaltnis von 1 130 Kcps betrug. Der Grund für das Sinken der Röntgenstrahlen-Diffraktionsfestigkeit bei einer Annäherung des Zerstäubungs-Basisenergieverhaltnisses an 1 ist, daß Verunreinigungsgase (N&sub2;, O&sub2;, H&sub2;O) in das Innere des Films eingeführt werden, da eine Zerstäubungsenergie in ähnlicher wie der herkömmlichen Weise einer kontinuierlichen Entladung unterliegt. Die Diffraktionsfestigkeit betrug unter den gleichen Bedingungen wie oben bei einem herkömmlichen Verfahren 8 Kcps. Es ist zu beachten, daß die Diffraktionsfestigkeit erfindungsgemäß ca. 50 Mal so hoch wie die herkömmliche Festigkeit war. Das Zerstäubungs-Basisenergieverhältnis beträgt vorzugsweise 0,8 oder weniger, vorzugsweise 0,3 oder weniger.
  • Fig. 8 stellt das experimentelle Ergebnis der Erforschung des Einflusses einer Schaltperiode auf eine Diffraktionsfestigkeit dar, wobei die Bedingungen sind, daß ein Zerstäubungs-Basisenergieverhältnis, das, wie in Fig. 7 dargestellt, die maximale Diffraktionsfestigkeit erzielen konnte, 0,3 betrug, und eine Schaltperiode (T1+T2) von 0,1 auf 100 Sekunden geändert wurde. Die Röntgenstrahlen- Diffraktionsfestigkeit wurde in dem Schaltperiodenbereich von 0,1 bis 10 Sekunden im wesentlichen konstant gehalten und bei der Periode von 100 Sekunden erheblich gesenkt. Wie erwartet, wird die Schaltperiode ebenfalls zu einem der wesentlichen Filmerzeugungsfaktoren, so daß es erforderlich ist, sie entsprechend dem Material und dem Anwendungsfeld zu ändern.
  • Fig. 9 stellt das experimentelle Ergebnis der Erforschung des Einflusses einer Röntgenstrahlen-Diffraktionsfestigkeit auf einer (111)-Ausrichtungsebene bei einem Verdrahtungsbruch aufgrund einer Elektromigration dar. Eine Al-Legierung mit einem Gew.-% Si und einer Dicke von 0,5 Mikron wurde auf einem Si-Substrat gebildet, und anschließend wurde ein 2 mm langes, 0,8 Mikron breites Streifenmuster darauf gebildet und 60 Minuten lang bei 450ºC geglüht. Ein 1 um dicker Passivierungsfilm aus SiO&sub2; wurde durch ein CVD-Verfahren darauf gebildet. Die Zeit bis zum Bruch der Verdrahtung bei einer Stromdichte von 2 10&sup6; A/cm² und bei einer Temperatur von 150ºC wurde gemessen. Wie aus Fig. 9 hervorgeht, kann davon ausgegangen werden, daß bei einer Steigerung der Röntgenstrahlen-Diffraktionsfestigkeit auf einen Bereich von 8 auf 370 Kcps die Bruchzeit erheblich, auf einen Bereich von 40 auf 510 Stunden gesteigert wird, wodurch ein gewisser Zusammenhang zwischen der Röntgenstrahlen-Diffraktionsfestigkeit (Ausrichtung) und der Elektromigrationsfestigkeit deutlich wird. Die Diffraktionsfestigkeit eines durch ein herkömmliches Gleichstrom-Magnetron-Zerstäubungsverfahren gebildeten Films betrug, wie in Fig. 9 dargestellt, 8 Kcps. Die Verdrahtungsbruchzeit dieses Films betrug 40 Stunden, wohingegen der erfindungsgemäß gebildete Film mit einer maximalen Diffraktionsstarke von 370 Kcps eine Bruchzeit von 510 Stunden aufweist. Dementsprechend wurde die Migrationsfestigkeit bei der Erfindung im Vergleich zu der herkömmlichen um das Vierzehnfache gesteigert.
  • Fig. 10 stellt das experimentelle Ergebnis der Erforschung des Einflusses eines Vorspannungsverhaltnisses (T2/(T1+T2)) auf eine Stufenabdeckung dar. Unter den Bedingungen, daß eine Schaltperiode (T1+T2) eine Sekunde betrug, ein Zerstäubungs-Basisenergieverhältnis (SW/PW) 0,3 betrug und eine Vorspannungs- Spitzenspannung (PV) bei 150 V lag, wurde ein Muster mit einer Durchgangsbohrung mit einem Durchmesser von 0,8 Mikron und einem Aspektverhältnis von 1 auf einem Si-Substrat gebildet, und ein Film aus einer Al-Legierung mit 1 Gew.-% Si wurde darauf gebildet, um den Stufenabdeckungszustand unter Verwendung eines Abtast- Mikrowellen-Spektrometers zu ermitteln. Die Stufenabdeckung wies bei einem Vorspannungsverhältnis von 0,3 einen maximalen Wert von 60 % auf und sank bei einem Verhältnis über und unter 0,3. Wie aus der Filmanordnung in dem in Fig. 10 dargestellten Durchgangsbohrungsabschnitt hervorgeht, könnte die Filmanordnung mit dem Vorspannungsverhältnis variieren. Es war beispielsweise möglich, die Stufenabdeckung durch Einstellen des Vorspannungsverhältnisses auf einen hohen Wert zu Beginn der Filmerzeugung und sein allmähliches Senken weiter zu verbessern. Die Stufenabdeckung eines durch ein herkömmliches Gleichstrom-Magnetron- Vorspannungs-Zerstäubungsverfahren bei der gleichen Vorspannung von 150 V wie bei der vorliegenden Erfindung erzeugten Films betrug 22 %. Die Filmanordnug kann erfindungsgemäß durch das Vorspannungsverhältnis verändert werden. Das herkömmliche Verfahren legt jedoch die Vorspannung fest, und es verbleiben keine weiteren Faktoren, so daß die Stufenabdeckung nicht verbessert werden kann. Bei dem herkömmlichen Verfahren steigt die kinetische Energie der Ionen, wenn die Vorspannung erhöht wird, so daß die Stufenabdeckung mehr oder weniger verbessert werden kann. In diesem Falle kann jedoch der Ionenaufprall das Substrat beschädigen, und die Filmqualität wird entsprechend verschlechtert.
  • Fig. 22 stellt die Vergleichsergebnisse verschiedener herkömmlicher Verfahren mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hinsichtlich des Einflusses eines Ar- Atmosphärendrucks auf die Röntgenstrahlen-Diffraktionsfestigkeit bei einer (111)-Ausrichtüng eines auf einem Si-Substrat ausgebildeten Al-Films dar, wobei die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung für die erfindungsgemäße Filmerzeugung verwendet wurde.
  • Die erfindungsgemaße Filmerzeugung erfolgte unter den Bedingungen, daß eine Schaltperiode der Zerstäubung im Verhältnis zu einem Rückzerstäuben eine Sekunde, eine Vorspannungs-Spitzenspannung 150 V, ein Vorspannungsverhältnis 0,3 und ein Zerstäubungs-Basisenergieverhaltnis 0,3 betrugen.
  • Bei den in Fig. 22 dargestellten herkömmlichen Verfahren handelt es sich bei dem Zerstäubungsverfahren um ein Verfahren, bei dem keine Rückzerstäubung erfolgt, bei dem Vorspannungs-Zerstäubungsverfahren um ein Verfahren, bei dem die Zerstäubung erfolgt, während eine negative Spannung an ein Substrat angelegt wird, und bei dem die Wellenform steuernden Wechselstrom-Zerstäubungsverfahren, wie in der japanischen Patentanmeldung Nr. 61 - 169590 (der ungeprüften Veröffentlichung JP-A-63-26361) beschrieben, um ein Verfahren, bei dem die Zerstäubung unter Verwendung einer Wechselspannung erfolgt, deren Wellenform gesteuert wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Filmerzeugung bei einem Druck von weniger als 1,33 10&supmin;³ hPa (10&supmin;³ Torr) ausgeführt werden, so daß eine erheblich höhere Röntgenstrahlen-Diffraktionsfestigkeit als herkömmlicherweise erzielt werden kann.
  • Dagegen können die herkömmlichen Verfahren nicht bei dem Ar- Atmosphärendruck unter 1,33 10&supmin;³ hPa (10&supmin;³ Torr) ausgeführt werden, und die Röntgenstrahlen-Difftaktionsfestigkeit ist auf höchstens 100 Xcps begrenzt. Das erfindungsgemaße Verfahren hat erstmalig eine Röntgenstrahlen-Diffraktionsfestigkeit von über 150 Xcps bei einem Al-Film in der (111)-Ebene erzielt.
    • (Beispiel 2)
  • Die Gleichstromzerstäubung des Beispiels 1 ist für leitfählge Targets wirkungsvoll, ein Target aus einem Isoliermaterial kann jedoch nicht entladen werden. In Beispiel 2 wurden die in Fig. 1 dargestellte, durch die Wellenform gesteuerte Zerstäubungs-Energiequelle 2 und die in Fig. 1 dargestellte, durch eine Wellenform mit konstanter Spannung gesteuerte Rückzerstäubungs-Energiequelle 1 durch Hochfrequenz-Energiequellen von ca. 13,5 MHz mit Wellenformen, wie in dem schematischen Diagramm der Fig. 11 dargestellt, ersetzt, wodurch eine Entladung eines Targets aus Isoliermaterial ermöglicht wird. Ein Al-Film wurde auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise gebildet und strukturiert, und anschließend wurde ein SiO&sub2;-Film als Isolierfilm zwischen den Lagen einer mehrlagigen Verdrahtung darauf erzeugt. Der Kontakt zwischen den Stufenabschnitten war ausgezeichnet, und die Ungleichmaßigkeit der Oberflachen wurde erheblich verbessert.
    • (Beispiel 3)
  • Ein Kontaktwiderstand steigt bei Kontaktbohrungen, die kleiner als 1 Mikron sind, erheblich, da der Durchmesser von aus einem Al-Verdrahtungsfilm kristallisierten Si-Körnern gelegentlich 1 Mikron übersteigen kann. Eines der Verfahren, dies zu verhindern, ist die Verwendung eines Sperrmetalls. Verschiedene Typen von Sperrmetallen sind bekannt. TiN zum Verhindern einer Reaktion zwischen Al und Si ist am bekanntesten. Ein mit einem Ti-Target unter einer (Ar+N&sub2;+O&sub2;)-Atmosphäre erzeugter TiN-Sperrfilm wächst jedoch derart, daß er, wie in Fig. 20 durch einen Filmquerschniff dargestellt, stabförmige Kristalle aufweist. Nach den Charakteristiken dieses Films weist er weniger Restspannung, keinen Fehler wie Risse und eine ausgezeichnete Sperrwirkung auf. Er hat jedoch den Nachteil eines großen spezifischen Widerstands im Bereich von 1000 bis 2000 uΩ cm.
  • Andererseits weist ein durch Anlegen einer negativen Vorspannung (Rückzerstäubung) auf einem Substrat erzeugter Film, wie in Fig. 19 dargestellt, feine und körnige Kristalle auf. Im Vergleich zu dem oben erwähnten spezifischen Widerstand hat dieser Film einen sehr niedrigen Widerstand im Bereich von 50 bis 200 uΩ cm. Er weist jedoch eine große Restspannung auf, es besteht die Wahrscheinlichkeit, daß Risse auftreten, und er hat auch eine geringe Sperrwirkung.
  • Material mit einem geringen spezifischen Widerstand, das eine ausgezeichnete Sperrwirkung aufweist, ist als Sperrfilmmaterial geeignet. In dieser Hinsicht widersprechen sich die beiden oben beschriebenen Verfahren einander jedoch, und es verbleibt ein Hindernis für den praktischen Gebrauch. Dies hat zu der Erkenntnis geführt, daß, wenn ein Film durch die abwechselnde Verwendung von Zerstäubung und Rückzerstäubung erzeugt wird, ein geschichteter Film mit stabförmigen und körnigen Kristallen oder ein gemischter Film aus beiden entsteht, der die beiden oben erwahnten vorteilhaften Merkmale aufweist. Dementsprechend wurde ein Film unter den Bedingungen erzeugt, daß eine Schaltperiode 10 Sekunden, ein Vorspannungsverhältnis 0,5, ein Zerstäubungs-Basisenergieverhältnis 0,3, ein Target Ti und eine Atmosphäre Ar (7,5) + N&sub2; (2) + O&sub2; (0,5) waren. Der entstandene Film wies einen spezifischen Widerstand im Bereich von 180 bis 250 uΩ cm auf Nach einem thermischen Prozeß bei 450ºC traten kein Bruch der Sperrschicht, keine Kristallisierung des Si aus einer Al-Verdrahtungsschicht und keine Risse in dem Film auf Wie oben beschrieben, kann durch Anwenden der Erfindung auf die reaktive Zerstäubung ein Verbundfilm erzeugt werden.
  • Fig. 23 stellt den Aufbau einer integrierten Schaltung dar, wobei unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens ein TiN-Film auf einem Si-Substrat erzeugt wurde, ein Al-Verdrahtungsfilm auf diesem erzeugt wurde und ein SiO&sub2;-Passivierungsfilm erzeugt wurde, der die gesamte Oberfläche der Schaltung abdeckte. Der Passivierungsfilm ist nicht nur auf SiO&sub2; beschränkt. Das Substrat ist ebenfalls nicht auf Si begrenzt, sondern es können auch andere Materialien wie GaAs verwendet werden.
  • Die folgenden Beispiele 4 und 5 bilden keinen Teil der Erfindung, sind jedoch Beispiele zum Verständnis der Erfindung.
    • (Beispiel 4)
  • In Beispiel 1 wurde ein Target wie beim Aufbau der Vorrichtung nach Fig. 1 angeordnet, und ein Film wurde durch Zerstäubung mit Hilfe von Ionen erzeugt, die innerhalb der Vakuumkammer zwischen dem Erdungspotential und den Target- und den Substratpotentialen erzeugt wurden. Die Verdampfungsquelle kann durch ein Elektronenstrahl-Dampfabscheidungsverfahren, ein Widerstandserwärmungs-Dampfabscheidungsverfahren oder ein Hochfrequenzerwärmungs-Dampfabscheidungsverfahren aktiviert werden. Fig. 13 stellt ein Beispiel einer Elektronenstrahl-Dampfabscheidungsqueile dar. Thermische Elektronen werden aus einem Faden 13 erzeugt und durch eine durch die Wellenform gesteuerte thermische Elektonenbeschleunigungs-Spannungsenergiequeile 11 beschleunigt und so gesteuert, um durch eine Krümmungsspule 16 auf ein Verdampfüngsmaterial 14 zu dessen Verdampfiing fokussiert zu werden. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet eine Faden-Erwärmungsenergiequelle, und das Bezugszeichen 15 bezeichnet einen Schmelztiegel. Die Filmerzeugung erfolgt grundsätzlich durch den oben beschriebenen Vorgang und das Umschalten einer an das Substrat 8 angelegten Spannung. Selbst wenn ein Elektronenstrahl in der Form von Impulsen auf das Verdampfungsmaterial 14 gerichtet wird, kann jedoch das Material aufgrund seiner thermischen Trägheit nicht sofort verdampft werden. Um dies zu vermeiden, wird, wie durch die Wellenformen in Fig. 14 dargestellt, während der Periode, in der zur Rückzerstäubung eine negative Spannung an das Substrat angelegt wird, der Elektronenstrahl (die thermische Elektronen-Beschleunigungsspannung) nicht vollständig abgeschaltet, sondem ein Basiselektronenstrahl bleibt angelegt. Da das Verdamptungsmaterial von dem Basiselektronenstrahl vorgewärmt wird, können die Reaktion und die Steuerung der Verdampfung des Verdampfungsmaterials 14 verbessert werden. Wenn die Elektronenstrahl-Ausgangswellenform von der Energiequelle zur Steuerung der thermischen Elektronenbeschleunigungs-Spannungswellenform geändert wird, wird ferner eine Verschiebung des Brennpunkts des Elektronenstrahls verursacht. Um dies zu vermeiden, wird eine Synchronisation einer an die Ablenkspule 16 anzulegenden Spannung mit einem thermischen Elektronen-Wellenformausgang (einer Spannung) veranlaßt. Nach den Ergebnissen zahlreicher Experimente mit der vorliegenden Vorrichtung wurde die Röntgenstrahlen-Diffraktionsfestigkeit eines Al-Films bei einer (111)-Kristallkorn-Ausrichtung auf 30 % des Beispiels 1 vermindert, und die Filmerzeugungsgeschwindigkeit wurde im Vergleich zu der des Beispiels 1 auf das Dreifache gesteigert.
    • (Beispiel 5)
  • In dem in Fig. 15 dargestellten Beispiel 5 sind eine Ionenquelle für den Ionenaufprall auf einem Target 6 und eine weitere Ionenquelle für den Ionenaufprall auf einem Substrat getrennt vorgesehen, und beide Ionenquellen werden zum Erzeugen eines Films und zur Ausführung einer Rückzerstäubung abwechselnd geschaltet. Die Ionenquelle kann durch ein Mikrowellenverfahren, ein Hochfrequenzverfahren oder ein thermisches Elektronenverfahren aktiviert werden. Fig. 15 stellt ein Beispiel einer Mikrowellen-Ionenquelle dar. Durch die Wellenform entsprechend Signalen von einem wahlweisen Wellenformgenerator 9 gesteuerte Mikrowellen-Energiequellen 19 erzeugte wellenförmige Mikrowellen werden zur Plasmaerzeugung über Wellenleiter 22 zu Plasmaerzeugungskammern 24 geleitet. Jede der Plasmaerzeugungskammern 24 weist eine Ionenableitelektrode 21 mit Netzen auf, an die zum Ableiten von Ionen in einer Vakuumkammer 17 von über die Wellenform gesteuerten Ionenableitungs- Energiequellen 20 eine negative Spannung angelegt wird. Die Ionenquellen werden abwechselnd geschaltet, um das Auftreffen von Ionen auf das Target und das Substrat zu veranlassen, um dadurch einen Film zu erzeugen und eine Rückzerstäubung auszuführen. Ein charakteristisches Merkmal dieses Verfahrens liegt darin, daß die Ionenenergie durch Ändern des Mikrowellenausgangs oder der Ionenableitspannung wie gewünscht geändert werden kann. Da die Ionenquellen getrennt vorgesehen sind, tritt zudem keine gegenseitige Beeinträchtigung auf Ferner sind die Filmerzeugungskammer und die Ionenquellen durch die Netze voneinander getrennt, so daß ein Film in einem Vakuumbereich erzeugt werden kann, der 10 bis 100 mal so hoch ist, wie an den Ionenquellen. Dadurch ist ein geeigneter Vakuumbereich breit, und die Filmqualität ist der des Beispiels 1 überlegen. Die Filmerzeugungsgeschwindigkeit wurde jedoch auf 40 % des Beispiels 1 verringert.
  • Wie bisher beschrieben, werden Ioneneinschläge (Rückzerstäubung) abwechselnd geschaltet, um einen Film zu bilden, so daß die Ausrichtung von Kristallkörnern und die Stufenabdeckung erheblich verbessert werden können. Ferner können gute Ausrichtungsergebnisse mit hoher Toleranz gegen Elektromigration erzielt werden, so daß die Haltbarkeitsdauer von Verdrahtungsfilmen aus Al oder Al- Legierungen auf VLSIs verlängert und die Zuverlässigkeit entscheidend verbessert werden können. Eine derartige Stufenabdeckung wird nicht nur mit zukünftigen Verdrahtungsprozessen von VLSIs bei ständiger Miniaturisierung kompatibel werden, sondern kann auch die Zuverlässigkeit gegenwärtiger VLSIs verbessern. Überdies ermöglicht die Filmerzeugung in einer reaktiven Gasatmosphäre das Erzielen eines Verbundfilms mit ausgezeichneten Eigenschaften, die durch ein herkömmliches Zerstäubungs- bzw. Vorspannungs-Zerstäubungsverfahren nicht erzielt werden können.

Claims (10)

1. Verfahren zum Abscheiden eines Dünnfilmes aus einem Material auf einem Substrat durch einander zugewandte Anordnung eines Targets (6) aus dem Material und des Substrats (8) in einer Vakuumkammer (17), die an Erdpotential ist, gekennzeichnet durch abwechselndes und wiederholtes Durchführen einer Zerstäubung und Rückzerstäubung zwischen dem Target und dem Substrat durch abwechselndes Anlegen einer negativen Impulsspannung an das Target und das Substrat durch abwechselndes Auftreffen von Argon- und Heliumgasionen auf das Target und das Substrat.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hochfrequenzspule (5) zwischen dem Target und dem Substrat montiert wird und man dadurch einen Hochfrequenzstrom zur Erzeugung eines Plasmas fließen läßt.
3. Verfahren nach Anspruch l oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spitzenwert der an das Target (6) angelegten Impulsspannung höher als ein Spitzenwert der an das Substrat (8) angelegten Impulsspannung ist.
4. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche l bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zeitperiode, während der die Impulsspannung an das Target (6) angelegt wird, länger als eine Zeitperiode ist, während der die Impulsspannung an das Substrat (8) angelegt wird.
5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche l bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß1 wenn die negative Impulsspannung an eines von Target (6) und Substrat (8) angelegt wird, eine andere negative Basisspannung mit einem niedrigeren Spitzenwert als einem Spitzenwert der ersterwähnten negativen Impulsspannung an das andere von Target (6) und Substrat (8) angelegt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenwert der anderen negativen Basisspannung, die an das Target (6) angelegt wird, höher als der Spitzenwert der anderen negativen Basisspannung ist, die an das Substrat (8) angelegt wird.
7. Vorrichtung zum Bilden eines Dünnfilmes auf einem Substrat durch Zerstäuben eines Materials des Dünnfilmes von einem Target (6) daraus auf das Substrat (8) bei einander zugewandter Anordnung des Targets (6) und des Substrats (8) in einer Vakuumkammer (17), die an Erdpotential ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zerstäubungseinrichtung (1, 2; 1, 11, 18; 19, 20) zum wiederholten abwechselnden Zerstäuben und Rückzerstäuben zwischen dem Target (6) und dem Substrat (8) durch abwechselndes Anlegen einer negativen Impulsspannung an das Target (6) und das Substrat (8) vorgesehen ist und eine Einrichtung zum Einführen atmosphärischen Gases von Argon oder Helium oder mit zusätzlichem Gehalt reaktiven Gases von N&sub2; und/oder O&sub2; in die Vakuumkammer (17) vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hochfrequenzspule (5) zwischen dem Target (6) und dem Substrat (8) zur Erzeugung eines Plasmas montiert ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubungseinrichtung einen Wellenformgenerator (9) zum Erzeugen erster und zweiter Wellenformen, eine wellenformgesteuerte Zerstäuberstromquelle (2; 11, 18; 19, 20), die auf die erste Wellenform anspricht, zur Erzeugung eines an das Target (6) angelegten Zerstäubungsstroms mit einer der ersten Wellenform entsprechenden Wellenform, eine wellenformgesteuerte Rückzerstäuberstromquelle (1; 19; 20), die auf die zweite Wellenform anspricht, zur Erzeugung eines an das Substrat (8) angelegten Rückzerstäubungsstroms mit einer der zweiten Wellenform entsprechenden Wellenform, und eine Vorspannungsstrom-Steuereinrichtung (3) zum Steuern des Hochfrequenzstroms der Spule (5) auf Basis eines erfaßten Vorspannungsstroms derart aufweist, um den Vorspannungsstrom auf einen gewählten Wert einzustellen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannnungsstrom-Steuereinrichtung einen Meßfühler (4) zum Erfassen des Vorspannungsstroms und einen Vorspannungsstrom-Steuerkreis (3) zum Steuern eines an die Hochfrequenzspule (5) angelegten Hochfrequenzstroms derart aufweist, um den erfaßten Vorspannungsstrom auf den gewählten Wert einzustellen.
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