JP2007214387A - 成膜方法、プラズマ成膜装置及び記憶媒体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】処理容器24内でプラズマにより金属ターゲット70をイオン化させて金属イオンを含む金属粒子を載置台34上に載置した被処理体Wにバイアス電力により引き込んで凹部4を埋め込むようにした成膜方法において、バイアス電力を、被処理体の金属ターゲットに対する対向面に関して、金属粒子による成膜レートとプラズマガスによるスパッタエッチングのエッチングレートとが略均衡するような状態になるように設定して凹部内に金属膜を形成する成膜工程と、金属粒子の供給を停止した状態で被処理体を金属膜の表面拡散が生ずる所定の温度範囲に加熱維持することにより金属膜の原子を凹部の底部に向けて移動させる拡散工程とを交互に複数回繰り返す。
【選択図】図4
Description
このような添加剤は、銅の金属膜中に僅かに残留するが、メッキ処理後に一般的に行われる高温アニール処理時に、銅の金属膜中の添加剤は膜中から抜け出て純粋な銅の金属膜配線とすることができた。
このように銅の金属膜中に添加剤が残留すると、その配線の抵抗値が大きくなって設計通りの電気特性が得られなくなるばかりか、添加剤の存在がアニール処理時における銅のグレインの成長を抑制することになり、この金属膜の信頼性を低下させる原因にもなっていた。
また、このオーバハング部14の問題を解決するために、特許文献2、3にも開示されているように、堆積した金属膜を高温処理によりリフローさせて凹部4内を埋め込むことも考えられるが、特許文献2、3に示されるように金属膜が極めて容易に溶融するアルミニウムの場合はリフローが可能であるが、溶融し難い銅の場合にはリフローが非常に起こり難く、現実的な解決策にはなり得ないのが実情である。
また例えば請求項3に規定するように、前記所定の温度範囲は、前記金属膜が体拡散する温度より小さい。
また例えば請求項4に規定するように、前記拡散工程においては前記被処理体を前記プラズマガスの衝突エネルギーにより加熱するようにした。
また例えば請求項5に規定するように、前記成膜工程と前記拡散工程とは同一の処理容器内で交互に繰り返し行われる。
また例えば請求項7に規定するように、前記1回の成膜工程で形成する前記金属膜の厚さは5nm以下である。
また例えば請求項8に規定するように、前記凹部は、配線用の溝、或いはホールである。
また例えば請求項10に規定するように、前記所定の温度範囲は200〜400℃の範囲内である。
また例えば請求項11に規定するように、前記凹部は、断面が少なくとも2段の段部構造になっており、幅の狭い下段の段部が前記金属膜により埋め込まれた後に、上段の段部を埋め込むメッキ工程を行う。
また例えば請求項12に規定するように、前記凹部は、断面が少なくとも2段の段部構造になっており、幅の狭い下段の段部と上段の段部は、前記金属膜により埋め込まれる。
また例えば請求項15に規定するように、前記載置台は、前記被処理体を加熱する加熱手段を有する。
また例えば請求項16に規定するように、前記載置台の表面には、熱伝導ガスを流すガス溝が形成されている。
プラズマスパッタにより主に凹部内に金属膜を形成する工程と、この金属膜を表面拡散が生ずる温度まで加熱する工程とを繰り返し行うようにしたので、金属膜を表面拡散で凹部の底部側へ移動させつつ凹部内を底部側から埋め込むことができる。従って、メッキ処理を用いることなくプラズマスパッタだけで微細な凹部を、例えば銅等の金属によりボイドを発生させることなく効果的に且つ適正に埋め込むことができる。
図1は本発明に係るプラズマ成膜装置の一例を示す断面図である。ここではプラズマ成膜装置としてICP(Inductively Coupled Plasma)型プラズマスパッタ装置を例にとって説明する。図示するように、このプラズマ成膜装置22は、例えばアルミニウム等により筒体状に成形された処理容器24を有している。この処理容器24は接地され、この底部26には排気口28が設けられて、圧力調整を行うスロットルバルブ30を介して真空ポンプ32により真空引き可能になされている。
また、スパッタされた金属ターゲット70からの金属粒子である金属原子、金属原子団はプラズマ中を通る際に多くはイオン化される。ここで金属粒子は、イオン化された金属イオンと電気的に中性な中性金属原子とが混在する状態となって下方向へ飛散して行く。そして、特に金属イオンは、載置台34に印加されたバイアス電力に引きつけられ、ウエハWに対し指向性の高い金属イオンとして載置台34上のウエハWに堆積する。
図2はスパッタエッチングの角度依存性を示すグラフ、図3はバイアス電力とウエハ上面の成膜量との関係を示すグラフ、図4は本発明方法の一例を説明するためのフローチャートを示す図、図5は本発明方法の各工程の作用を説明する説明図、図6は拡散工程の作用を説明する説明図である。
まず、成膜量を考慮しないでプラズマガスによるスパッタエッチングのエッチングレートについてその特性を検討すると、スパッタ面の角度とエッチングレートとの関係は図2に示すグラフのようになる。ここでスパッタ面の角度とは、スパッタ面(ウエハ上面)の法線がスパッタガス(Arイオン:Ar+ )の入射方向(図1中では下向き方向)となす角度を指し、例えばウエハ上面及び凹部4(図10参照)の底部は共に”0度”であり、凹部側壁は”90度”である。
まず、図1において載置台34を下方へ降下させた状態で処理容器24のゲートバルブ50を介して真空引き可能になされた処理容器24内へウエハWを搬入し、これを支持ピン46上に支持させる。そして、この状態で載置台34を上昇させると、この上面にウエハWが受け渡され、このウエハWが静電チャック34Bにより載置台34の上面に吸着される。
また、先の成膜工程では冷媒循環路42に冷媒を流して載置台34自体は冷却されているので、この拡散工程では、上記ガス溝36へ熱伝導ガスを供給しないでガス溝36内を真空状態とし、ウエハWと載置台34との間の熱伝導を阻害してウエハWの加熱を補助するようにしてもよい。また必要ならば加熱手段である抵抗加熱ヒータ44に通電することにり載置台34を加熱するようにしてもよい。このようにして、例えば数10秒間の拡散工程を行う。或いは先の成膜工程において凹部4の側壁の金属膜の厚さが5nm以下の場合では、載置台34を冷却せずとも側壁での金属膜の凝集は起こらないため、載置台34を冷却する必要はない。この場合、むしろ載置台34の温度を高め、成膜工程中においても表面拡散を起こすようにしてもよい。
図5(D)では2回目の成膜工程が示されており、再度、Cuの金属膜90が形成され、図5(E)では2回目の拡散工程が示されており、上記2回目の金属膜90が拡散移動して底部に引き込まれている。
そして、上記したように、成膜工程S2及び拡散工程S3をそれぞれ所定の回数(所定のサイクル数)、例えば数10回程度繰り返し実施したならば(S4のYES)、図5(F)に示すように、凹部4内はCuにより略完全に埋め込まれた状態になるので、処理を終了することになる。
またメッキ処理を不要にできるので、メッキ液の添加剤によるCuグレインの成長が阻害されることがなく、十分にCuグレインを成長させることができ、この配線膜の信頼性を向上させることができる。
この実施例では、幅や直径の小さな下段の凹部4のみを埋め込む場合を示したが、図5(F)に示す工程に引き続いて、上記成膜工程S2と拡散工程S3とを交互に繰り返し行うことによって、上段の凹部2内の埋め込みも行うようにしてもよい。
また上段の凹部2の幅や直径が例えば100nm以上と大きい場合には、図5(F)に示す工程を終了したならば、上記下段の凹部4に埋め込まれた金属膜を下部電極としてメッキ工程によるCuメッキ処理を施して上段の凹部2を埋め込むようにしてもよい。この場合は、上段の凹部2の幅や直径が大きいので、後工程でアニール処理を行えば、メッキ液中の添加剤が金属膜中に残留することはない。
次に本発明方法を用いて実際にスルホールやビアホール等のホールや溝(トレンチ)の埋め込みを行って評価をしたので、その評価結果について説明する。
図7は幅100nmの溝(トレンチ)を従来方法と本発明の成膜方法で銅による埋め込みを行った時の断面状態を示す電子顕微鏡写真である。ここでは模式図を併記している。本発明方法のプロセス条件は、先に説明したプロセス条件に設定しており、成膜工程及び拡散工程を20サイクル行った。
これに対して、図7(B)に示す本発明方法の場合には、埋め込み途中までであるが、銅膜の表面拡散が生じた結果、ボイドが発生することなく凹部内が良好に埋め込まれつつあってボトムアップしており、良好な結果が得られることが確認できた。
図8は本発明方法を用いて幅100nmの溝(トレンチ)と直径100nmのホールの埋め込みをサイクル数を異ならせて行った時の断面状態を示す電子顕微鏡写真であり、最も右側に斜め方向からの写真を示している。ここでは模式図を併記している。
各プロセス条件は、先に説明した本発明のプロセス条件に設定しており、成膜工程及び拡散工程を10サイクルと20サイクルそれぞれ行った。
また図8(B)はホールを埋め込んだ時の状態を示しており、埋め込み処理が10サイクルから20サイクルへ進むに従って、ホール内がボイドを発生することなく埋め込まれて行くのが確認できた。
また、ここでは被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、LCD基板、ガラス基板、セラミックス基板等にも本発明を適用することができる。
22 プラズマ成膜装置
24 処理容器
34 載置台
36 ガス溝
42 冷媒循環路(冷却手段)
44 抵抗加熱ヒータ(加熱手段)
54 バイアス電源
62 プラズマ発生源
72 ターゲット用の直流電源
74 誘導コイル部
70 金属ターゲット
80 装置制御部
82 記憶媒体
W 半導体ウエハ(被処理体)
Claims (17)
- 真空引き可能になされた処理容器内でプラズマにより金属ターゲットをイオン化させて金属イオンを含む金属粒子を発生させ、前記金属粒子を前記処理容器内の載置台上に載置した被処理体にバイアス電力により引き込んで凹部が形成されている前記被処理体に金属膜を堆積させて前記凹部を埋め込むようにした成膜方法において、
前記バイアス電力を、前記被処理体の前記金属ターゲットに対する対向面に関して、前記金属粒子による成膜レートとプラズマガスによるスパッタエッチングのエッチングレートとが略均衡するような状態になるように設定して前記凹部内に前記金属膜を形成する成膜工程と、
前記金属粒子の供給を停止した状態で前記被処理体を前記金属膜の表面拡散が生ずる所定の温度範囲に加熱維持することにより前記金属膜の原子を前記凹部の底部に向けて移動させる拡散工程と、を交互に複数回繰り返すようにしたことを特徴とする成膜方法。 - 前記バイアス電力は、前記凹部に形成されている下地膜がエッチングされないような大きさであることを特徴とする請求項1記載の成膜方法。
- 前記所定の温度範囲は、前記金属膜が体拡散する温度より小さいことを特徴とする請求項1または2記載の成膜方法。
- 前記拡散工程においては前記被処理体を前記プラズマガスの衝突エネルギーにより加熱するようにしたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の成膜方法。
- 前記成膜工程と前記拡散工程とは同一の処理容器内で交互に繰り返し行われることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の成膜方法。
- 前記凹部の幅、或いは直径は100nm以下であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の成膜方法。
- 前記1回の成膜工程で形成する前記金属膜の厚さは5nm以下であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の成膜方法。
- 前記凹部は、配線用の溝、或いはホールであることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の成膜方法。
- 前記金属膜は、銅または銅合金よりなることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の成膜方法。
- 前記所定の温度範囲は200〜400℃の範囲内であることを特徴とする請求項9記載の成膜方法。
- 前記凹部は、断面が少なくとも2段の段部構造になっており、幅の狭い下段の段部が前記金属膜により埋め込まれた後に、上段の段部を埋め込むメッキ工程を行うことを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の成膜方法。
- 前記凹部は、断面が少なくとも2段の段部構造になっており、幅の狭い下段の段部と上段の段部は、前記金属膜により埋め込まれることを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の成膜方法。
- 真空引き可能になされた処理容器と、
凹部の形成された被処理体を載置するための載置台と、
前記処理容器内へ所定のガスを導入するガス導入手段と、
前記処理容器内へプラズマを発生させるためのプラズマ発生源と、
前記処理容器内に設けられて前記プラズマにより金属粒子を発生する金属ターゲットと、
前記金属ターゲットへ放電用電力を供給するターゲット用の直流電源と、
前記載置台に対して所定のバイアス電力を供給するバイアス電源と、
装置全体の動作を制御する装置制御部と、を有して、プラズマにより前記金属ターゲットをイオン化させて金属イオンを含む金属粒子を発生させ、該金属粒子をバイアス電力により凹部が形成されている被処理体に引き込んで前記凹部を金属膜により埋め込むようにしたプラズマ成膜装置において、
前記装置制御部は、
前記バイアス電力を、前記被処理体の前記金属ターゲットに対する対向面に関して、前記金属粒子に対する引き込みによる成膜レートとプラズマガスによるスパッタエッチングのエッチングレートとが略均衡するような状態になるように設定して前記凹部内に前記金属膜を形成する成膜工程と、
前記金属粒子の供給を停止した状態で前記被処理体を前記金属膜の表面拡散が生ずる所定の温度範囲に加熱維持することにより前記金属膜の原子を前記凹部の底部に向けて移動させる拡散工程と、を交互に複数回繰り返すように制御することを特徴とするプラズマ成膜装置。 - 前記載置台は、前記被処理体を冷却する冷却手段を有することを特徴とする請求項13記載のプラズマ成膜装置。
- 前記載置台は、前記被処理体を加熱する加熱手段を有することを特徴とする請求項13または14記載のプラズマ成膜装置。
- 前記載置台の表面には、熱伝導ガスを流すガス溝が形成されていることを特徴とする請求項13乃至15のいずれかに記載のプラズマ成膜装置。
- 真空引き可能になされた処理容器と、
凹部の形成された被処理体を載置するための載置台と、
前記処理容器内へ所定のガスを導入するガス導入手段と、
前記処理容器内へプラズマを発生させるためのプラズマ発生源と、
前記処理容器内に設けられて前記プラズマにより金属粒子を発生する金属ターゲットと、
前記金属ターゲットへ放電用電力を供給するターゲット用の直流電源と、
前記載置台に対して所定のバイアス電力を供給するバイアス電源と、
装置全体の動作を制御する装置制御部と、を有して、プラズマにより前記金属ターゲットをイオン化させて金属イオンを含む金属粒子を発生させ、該金属粒子をバイアス電力により凹部が形成されている被処理体に引き込んで前記凹部を金属膜により埋め込むようにしたプラズマ成膜装置を用いて成膜を行うに際して、
前記バイアス電力を、前記被処理体の前記金属ターゲットに対する対向面に関して、前記金属粒子に対する引き込みによる成膜レートとプラズマガスによるスパッタエッチングのエッチングレートとが略均衡するような状態になるように設定して前記凹部内に前記金属膜を形成する成膜工程と、
前記金属粒子の供給を停止した状態で前記被処理体を前記金属膜の表面拡散が生ずる所定の温度範囲に加熱維持することにより前記金属膜の原子を前記凹部の底部に向けて移動させる拡散工程と、を交互に複数回繰り返すように前記プラズマ成膜装置を制御するプログラムを記憶することを特徴とする記憶媒体。
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