JP2009235546A - Sputtering apparatus and sputtering method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はスパッタリング装置およびスパッタリング方法に関する。 The present invention relates to a sputtering apparatus and a sputtering method.
半導体デバイスの配線微細化や高速化に伴い、半導体デバイス内の配線材料としてアルミよりも抵抗率の低い銅（Ｃｕ）が注目されている。 With the miniaturization and high speed of wiring of semiconductor devices, copper (Cu) having a lower resistivity than aluminum is drawing attention as a wiring material in semiconductor devices.
半導体基板（シリコン基板）へのＣｕ電極配線の形成は、通常、スパッタリング技術と電解メッキ技術との組合せにより、以下のような方法でなされている。 Formation of Cu electrode wiring on a semiconductor substrate (silicon substrate) is usually performed by the following method by a combination of a sputtering technique and an electrolytic plating technique.
図５は、シリコン基板へのＣｕ電極配線形成の各工程を模式的に示した図である。 FIG. 5 is a diagram schematically showing each process of forming the Cu electrode wiring on the silicon substrate.
まず、図５（ａ）に示すように、シリコン基板（図示せず）上のシリコン酸化層に溝やホールを設け、当該溝やホールにＣｕ拡散防止用のタンタル（Ｔａ）からなるバリア膜（以下、「Ｔａバリア膜」と略す）がスパッタリング法によって形成される。 First, as shown in FIG. 5A, a groove or hole is formed in a silicon oxide layer on a silicon substrate (not shown), and a barrier film (tantalum (Ta) for preventing Cu diffusion) is formed in the groove or hole. (Hereinafter abbreviated as “Ta barrier film”) is formed by sputtering.
次に、図５（ｂ）に示すように、このバリア膜を覆うように、電解メッキ時の下地電極膜の役割を果たすＣｕからなるシード膜（以下、「Ｃｕシード膜」と略す）がスパッタリング法によって形成される。 Next, as shown in FIG. 5B, a seed film made of Cu (hereinafter abbreviated as “Cu seed film”) serving as a base electrode film during electrolytic plating is sputtered so as to cover the barrier film. Formed by law.
その後、図５（ｃ）に示すように、Ｃｕ電極配線が、シード膜を覆うようにして、溝やホールに電解メッキ法により埋め込まれる。 Thereafter, as shown in FIG. 5C, the Cu electrode wiring is buried in the groove or hole by electrolytic plating so as to cover the seed film.
最後に、図５（ｄ）に示すように、Ｃｕ電極配線が、適宜の平坦化法（例えば、ＣＭＰ）により平坦化される。 Finally, as shown in FIG. 5D, the Cu electrode wiring is planarized by an appropriate planarization method (for example, CMP).
なお、Ｃｕシード膜の形成にスパッタリング技術を適用する際に、Ｃｕ材料が塊状になる現象（以下、「Ｃｕ凝集」と略す）を抑制できるよう、スパッタリング時の電極間にかけるパワーを経時的に変化させることを記載した公知文献として、特許文献１がある。
特許文献１に記載のように、Ｃｕ凝集が電解メッキ時におけるＣｕ電極配線の適切な成長を阻害する。つまり、このようなＣｕ凝集が起こると、Ｃｕシード膜が均一に形成されずに、Ｃｕ電極配線の不良（例えば、電解メッキ時のボイド発生）を誘発する。このため、Ｃｕ凝集を抑制できる様々な方法が従来から検討されている。 As described in Patent Document 1, Cu aggregation hinders proper growth of Cu electrode wiring during electrolytic plating. That is, when such Cu agglomeration occurs, the Cu seed film is not formed uniformly, and Cu electrode wiring defects (for example, void generation during electrolytic plating) are induced. For this reason, various methods that can suppress Cu aggregation have been studied.
例えば、シリコン基板の温度が高いと、Ｃｕ凝集が起こり易いことが知られているので、シリコン基板装着用の静電チャックなどを用いてシリコン基板を冷却する方法がある。また、バリア膜とシード膜との密着性を高めるよう、Ｃｕシード膜とぬれ性のよいバリア膜（例えば、上述のＴａバリア膜）を選択する方法もある。 For example, since it is known that Cu aggregation is likely to occur when the temperature of the silicon substrate is high, there is a method of cooling the silicon substrate using an electrostatic chuck for mounting the silicon substrate. There is also a method of selecting a Cu seed film and a wettability barrier film (for example, the above Ta barrier film) so as to improve the adhesion between the barrier film and the seed film.
しかしながら、これらの方法を用いても、シード膜の成膜レートを低下させずに、Ｃｕ凝集を適切に抑制することは容易ではなく、上述のＣｕ凝集対策には、未だ改善の余地がある。例えば、シリコン基板を冷却するにしても、簡便な機械式の冷凍機の冷凍能力には限界があると考えられる。 However, even if these methods are used, it is not easy to appropriately suppress Cu aggregation without lowering the deposition rate of the seed film, and there is still room for improvement in the above-described countermeasure against Cu aggregation. For example, even if the silicon substrate is cooled, it is considered that there is a limit to the refrigerating capacity of a simple mechanical refrigerator.
また、特許文献１では、スパッタリング時の電極間にかけるパワー（電流×電圧）を一時的に少なくすることにより、Ｃｕ凝集を抑制しているが、このような方法では、パワー（電流×電圧）を下げている間、スパッタリング膜の成膜レートが低下するので好ましくない。 Moreover, in patent document 1, Cu aggregation is suppressed by temporarily reducing the power (current x voltage) applied between the electrodes at the time of sputtering, but in such a method, power (current x voltage) is suppressed. Since the film formation rate of the sputtering film is lowered while lowering the film thickness, it is not preferable.
本件発明者等は、プラズマガンからのシートプラズマによるスパッタリング技術を用いてＣｕシード膜を成膜する技術開発に取り組んでいる。そして、この技術開発の過程で、プラズマの放電電流とターゲットに印加するバイアス電圧とを個別に制御できるという本スパッタリング技術の特徴を活かして、これらの放電電流およびバイアス電圧の適切な設定により、スパッタリング膜の成膜レートを低下させずに、Ｃｕ凝集を適切かつ容易に抑制できることに気がついた。 The inventors of the present invention are working on technical development for forming a Cu seed film using a sputtering technique using a sheet plasma from a plasma gun. In the course of this technological development, taking advantage of the characteristics of this sputtering technology that the plasma discharge current and the bias voltage applied to the target can be individually controlled, the appropriate setting of these discharge current and bias voltage enables sputtering. It has been found that Cu aggregation can be appropriately and easily suppressed without lowering the film formation rate.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、スパッタリング膜の成膜レートを低下させずに、ターゲットのスパッタリング時に生じるターゲット材料の凝集を適切かつ容易に抑制できるスパッタリング装置およびスパッタリング方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a sputtering apparatus and a sputtering method capable of appropriately and easily suppressing aggregation of a target material that occurs during sputtering of a target without reducing the film formation rate of the sputtering film. The purpose is to provide.
上記課題を解決するため、本発明は、基板およびターゲットを格納する真空成膜室と、
カソードユニットを有して、前記カソードユニットおよびアノード間の放電により、前記真空成膜室内にプラズマを形成可能なプラズマガンと、
前記プラズマガンに電力を供給するプラズマガン電源と、
前記ターゲットにバイアス電圧を印加するバイアス電源と、
を備え、
前記プラズマ中の荷電粒子によりスパッタリングされた前記ターゲットの材料が、前記基板において凝集を起こさないよう、前記プラズマの放電電流が前記プラズマガン電源を用いて調整され、かつ、前記バイアス電圧が前記バイアス電源を用いて調整されている、スパッタリング装置を提供する。
In order to solve the above problems, the present invention provides a vacuum film formation chamber for storing a substrate and a target,
A plasma gun having a cathode unit and capable of forming plasma in the vacuum film-forming chamber by discharge between the cathode unit and the anode;
A plasma gun power supply for supplying power to the plasma gun;
A bias power source for applying a bias voltage to the target;
With
The discharge current of the plasma is adjusted using the plasma gun power supply so that the target material sputtered by charged particles in the plasma does not agglomerate in the substrate, and the bias voltage is set to the bias power supply. A sputtering apparatus is provided that is adjusted using
また、本発明は、基板およびターゲットを真空成膜室内に格納した後、前記真空成膜室内を減圧し、
プラズマガンから放出されたプラズマを前記真空成膜室内に輸送し、その後、
前記プラズマ中の荷電粒子によりスパッタリングされた前記ターゲットの材料が、前記基板において凝集を起こさないよう、前記プラズマの放電電流および前記ターゲットに印加するバイアス電圧を調整する、スパッタリング方法も提供する。
In the present invention, after the substrate and the target are stored in the vacuum film formation chamber, the vacuum film formation chamber is decompressed,
The plasma released from the plasma gun is transported into the vacuum film formation chamber, and then
A sputtering method is also provided in which the discharge current of the plasma and the bias voltage applied to the target are adjusted so that the target material sputtered by charged particles in the plasma does not aggregate in the substrate.
本発明では、前記荷電粒子としてプラスイオンを用い、前記材料からなる堆積膜の前記基板での成膜レートを固定する場合、
前記凝集を起こさないよう、前記放電電流を、前記凝集を起こす前記放電電流よりも少なくする方が好ましく、かつ、前記凝集を起こさないよう、前記バイアス電圧を、前記凝集を起こす前記バイアス電圧よりもマイナス電圧側に高くする方が好ましい。
In the present invention, when positive ions are used as the charged particles and the deposition rate of the deposited film made of the material on the substrate is fixed,
The discharge current is preferably smaller than the discharge current causing the aggregation so as not to cause the aggregation, and the bias voltage is set higher than the bias voltage causing the aggregation so as not to cause the aggregation. It is preferable to increase it to the negative voltage side.
このような放電電流およびバイアス電圧の調整により、本発明では、前記プラズマによって前記基板に伝わる熱量を、前記放電電流および前記バイアス電圧により適切に制御できる。 By adjusting the discharge current and the bias voltage as described above, in the present invention, the amount of heat transferred to the substrate by the plasma can be appropriately controlled by the discharge current and the bias voltage.
よって、本発明では、放電電流およびバイアス電圧の簡易な調整により、堆積膜の成膜レートを低下させずに、前記凝集を適切かつ容易に抑制できる。 Therefore, in the present invention, the aggregation can be appropriately and easily suppressed by a simple adjustment of the discharge current and the bias voltage without lowering the deposition rate of the deposited film.
また、本発明では、堆積膜を電解メッキによる電極配線形成時の下地電極膜に用いる場合、前記凝集の適切かつ容易な抑制により、電極配線の電解メッキ時の不良発生を簡易に改善できて好都合である。 In addition, in the present invention, when the deposited film is used as a base electrode film during electrode wiring formation by electrolytic plating, the occurrence of defects during electrolytic plating of electrode wiring can be easily improved by appropriate and easy suppression of the aggregation. It is.
また、本発明では、前記プラズマガンと前記真空成膜室との間に、前記プラズマガンから放出された円柱状のプラズマを磁界によりシート状に変形可能な磁界発生手段を備えてもよい。 In the present invention, a magnetic field generating means capable of deforming cylindrical plasma emitted from the plasma gun into a sheet shape by a magnetic field may be provided between the plasma gun and the vacuum film forming chamber.
本発明によれば、スパッタリング膜の成膜レートを低下させずに、ターゲットのスパッタリング時に生じるターゲット材料の凝集を適切かつ容易に抑制できるスパッタリング装置およびスパッタリング方法が得られる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the sputtering apparatus and sputtering method which can suppress appropriately and easily aggregation of the target material produced at the time of sputtering of a target are obtained, without reducing the film-forming rate of a sputtering film | membrane.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図１は、本発明の実施形態によるスパッタリング装置の構成例を示した概略図である。 FIG. 1 is a schematic view showing a configuration example of a sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention.
なお、ここでは、便宜上、図１に示す如く、プラズマ輸送の方向をＺ方向にとり、このＺ方向に直交し、かつ棒磁石２４Ａ、２４Ｂ（後述）の磁化方向をＹ方向にとり、これらのＺ方向およびＹ方向の両方に直交する方向をＸ方向にとって、本スパッタリング装置１００の構成を述べる。 Here, for convenience, as shown in FIG. 1, the direction of plasma transport is taken in the Z direction, the magnetization direction of the bar magnets 24A and 24B (described later) is taken in the Y direction, and these Z directions are taken. The configuration of the present sputtering apparatus 100 will be described with the direction orthogonal to both the Y direction and the X direction.
本実施形態のスパッタリング装置１００は、図１に示す如く、ＹＺ平面において略十字形をなしており、放電プラズマ輸送の方向（Ｚ方向）から見て順番に、放電プラズマを高密度に生成するプラズマガン４０と、Ｚ方向の軸を中心とした円筒状の非磁性（例えばステンレス製やガラス製）のシートプラズマ変形室２０と、Ｙ方向の軸を中心とした円筒状の非磁性（例えばステンレス製）の真空成膜室３０と、を備える。また、スパッタリング装置１００は、図１に示す如く、プラズマガン４０に放電発生用の電力を供給できるプラズマガン電源５０を備える。 As shown in FIG. 1, the sputtering apparatus 100 of the present embodiment has a substantially cross shape in the YZ plane, and plasma that generates discharge plasma in high density in order as viewed from the direction of discharge plasma transport (Z direction). A gun 40, a cylindrical non-magnetic (eg, stainless steel or glass) sheet plasma deformation chamber 20 centered on the Z-direction axis, and a cylindrical non-magnetic (eg, stainless-steel) centered on the Y-direction axis ) Vacuum film forming chamber 30. Further, as shown in FIG. 1, the sputtering apparatus 100 includes a plasma gun power supply 50 that can supply electric power for generating discharge to the plasma gun 40.
なお、上述の各部４０、２０、３０は、放電プラズマを輸送する通路を介して互いに気密状態を保って連通されている。 The above-described portions 40, 20, and 30 are communicated with each other while maintaining an airtight state through a passage for transporting the discharge plasma.
まず、スパッタリング装置１００のプラズマガン４０およびプラズマガン電源５０の構成について説明する。 First, the configuration of the plasma gun 40 and the plasma gun power supply 50 of the sputtering apparatus 100 will be described.
スパッタリング装置１００のプラズマガン４０は、図１に示すように、カソードユニット４１と、一対の中間電極Ｇ1、Ｇ2と、を備える。 As shown in FIG. 1, the plasma gun 40 of the sputtering apparatus 100 includes a cathode unit 41 and a pair of intermediate electrodes G 1 and G 2 .
カソードユニット４１は、耐熱ガラス製の円筒状のガラス管４１Ａと、円板状の蓋部材４１Ｂとを備えており、カソードユニット４１の内部は、放電空間として機能している。このガラス管４１Ａは、適宜の固定手段（ボルトなど；図示せず）により、中間電極Ｇ1および蓋部材４１Ｂとの間で気密に配されている。このため、中間電極Ｇ1の通孔（図示せず）を介して、放電空間で生成されたプラズマをカソードユニット４１から外部に引き出すことができる。 The cathode unit 41 includes a cylindrical glass tube 41A made of heat-resistant glass and a disc-shaped lid member 41B, and the inside of the cathode unit 41 functions as a discharge space. The glass tube 41A is suitable fixing means (bolts, etc.) (not shown) by, are arranged in the airtight between the intermediate electrode G 1 and the lid member 41B. Therefore, the plasma generated in the discharge space can be drawn out from the cathode unit 41 through the through hole (not shown) of the intermediate electrode G 1 .
また、蓋部材４１Ｂには、放電誘発用の熱電子を放出可能な六ホウ化ランタン（ＬａＢ6）からなるカソードＫが配置されているとともに、放電により電離される放電ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）ガスをこの放電空間に導くことができる放電ガス供給手段（図示せず）が設けられている。 The lid member 41B is provided with a cathode K made of lanthanum hexaboride (LaB 6 ) capable of emitting discharge-induced thermoelectrons and argon (Ar) as a discharge gas ionized by the discharge. Discharge gas supply means (not shown) capable of guiding gas to the discharge space is provided.
スパッタリング装置１００のプラズマガン電源５０は、図１に示すように、プラズマガン４０に電力を供給できる電力発生部７０と、各中間電極Ｇ1、Ｇ2のそれぞれに対応して配され、中間電極Ｇ1、Ｇ2を流れる電流を制限する抵抗素子Ｒ1、Ｒ2と、を備える。 As shown in FIG. 1, the plasma gun power source 50 of the sputtering apparatus 100 is arranged corresponding to each of the power generation unit 70 that can supply power to the plasma gun 40 and each of the intermediate electrodes G 1 and G 2. Resistance elements R 1 and R 2 that limit currents flowing through G 1 and G 2 are provided.
中間電極Ｇ1は、プラズマガン４０の放電空間においてカソードＫとの間で補助放電（グロー放電）を適切に維持できるよう、抵抗素子Ｒ1を介して電力発生部７０と接続されている。また、中間電極Ｇ2は、プラズマガン４０の放電空間においてカソードＫとの間で補助放電（グロー放電）を適切に維持できるよう、抵抗素子Ｒ2を介して電力発生部７０と接続されている。 The intermediate electrode G 1 is connected to the power generator 70 via the resistance element R 1 so that auxiliary discharge (glow discharge) can be appropriately maintained between the intermediate electrode G 1 and the cathode K in the discharge space of the plasma gun 40. In addition, the intermediate electrode G 2 is connected to the power generation unit 70 via the resistance element R 2 so that auxiliary discharge (glow discharge) can be appropriately maintained between the intermediate electrode G 2 and the cathode K in the discharge space of the plasma gun 40. .
このグロー放電においては、プラズマガン４０の放電空間への荷電粒子（ここではプラスイオンであるＡｒ+と電子）の供給が、Ａｒ+のカソードＫへの衝突時に起こる二次電子放出および電子によるアルゴン電離によりなされ、これにより、プラズマガン４０の放電空間には、荷電粒子の集合体としての放電プラズマが形成される。その後、プラズマガン４０では、カソードＫの加熱で起こる熱電子放出に基づいた主放電（アーク放電）に遷移する。このように、プラズマガン４０は、プラズマガン電源５０に基づく低電圧かつ大電流のアーク放電により、カソードＫとアノードＡとの間に高密度の放電を可能にする、圧力勾配型ガンである。 In this glow discharge, supply of charged particles (in this case, positive ions Ar + and electrons) to the discharge space of the plasma gun 40 causes secondary electron emission that occurs when Ar + collides with the cathode K, and argon due to electrons. This is done by ionization, whereby discharge plasma as an aggregate of charged particles is formed in the discharge space of the plasma gun 40. Thereafter, the plasma gun 40 makes a transition to main discharge (arc discharge) based on thermionic emission caused by heating of the cathode K. As described above, the plasma gun 40 is a pressure gradient type gun that enables high-density discharge between the cathode K and the anode A by low-voltage and high-current arc discharge based on the plasma gun power supply 50.
なお、ここでは、詳細な図示を省略するが、この電力発生部７０の内部では、電源切り替えスイッチを用いて、カソードＫとトランスとの間の接続がなされた状態と、カソードＫと、定電流電源との間の接続がなされた状態と、を取り得る。 Here, although detailed illustration is omitted, inside the power generation unit 70, the connection between the cathode K and the transformer, the cathode K, and the constant current using the power source switch are used. The connection with the power source can be established.
プラズマガン４０のグロー放電時には、前者の状態が取られる。この場合、トランスの一次側の端子間には、商用周波数の２００Ｖの一次電圧が印加される。すると、トランスの二次側の端子間に所定の二次電圧が誘起され、この二次電圧が整流回路により整流された後、プラズマガン４０に印加される。 At the time of glow discharge of the plasma gun 40, the former state is taken. In this case, a primary voltage of 200 V having a commercial frequency is applied between terminals on the primary side of the transformer. Then, a predetermined secondary voltage is induced between the terminals on the secondary side of the transformer, and this secondary voltage is rectified by the rectifier circuit and then applied to the plasma gun 40.
一方、プラズマガン４０のアーク放電時には、後者の状態が取られる。これにより、プラズマガン４０は、プラズマガン電源５０（定電流電源）により定電流制御され、アノードＡからカソードＫに向かって流れる放電電流ＩＤが一定となる。なお、この放電電流ＩＤは、プラズマガン電源５０を用いて調整できる。 On the other hand, at the time of arc discharge of the plasma gun 40, the latter state is taken. As a result, the plasma gun 40 is subjected to constant current control by the plasma gun power supply 50 (constant current power supply), and the discharge current ID flowing from the anode A toward the cathode K becomes constant. The discharge current ID can be adjusted using the plasma gun power supply 50.
以上のようにして、Ｚ方向の輸送中心に対して略等密度分布してなる円柱状のアーク放電プラズマ（以下、「円柱プラズマ２２」という）が、プラズマガン４０のＺ方向の他端とシートプラズマ変形室２０のＺ方向の一端との間に介在する通路（図示せず）を介してシートプラズマ変形室２０へ引き出される。 As described above, the cylindrical arc discharge plasma (hereinafter referred to as “cylindrical plasma 22”) having a substantially equal density distribution with respect to the transport center in the Z direction is generated between the other end of the plasma gun 40 in the Z direction and the sheet. The sheet is drawn out to the sheet plasma deformation chamber 20 through a passage (not shown) interposed between one end of the plasma deformation chamber 20 in the Z direction.
次に、スパッタリング装置１００のシートプラズマ変形室２０の構成およびその周辺構成について述べる。 Next, the configuration of the sheet plasma deformation chamber 20 of the sputtering apparatus 100 and its peripheral configuration will be described.
シートプラズマ変形室２０は、Ｚ方向の軸を中心とした円柱状の減圧可能な輸送空間２１を有する。 The sheet plasma deformation chamber 20 includes a cylindrical transport space 21 that can be depressurized around an axis in the Z direction.
シートプラズマ変形室２０の側面周囲には、このシートプラズマ変形室２０を取り囲み、円柱プラズマ２２のＺ方向の推進力を発揮する円形状の第１の電磁コイル２３（空心コイル）が配設されている。なお、第１の電磁コイル２３の巻線には、カソードＫ側をＳ極、アノードＡ側をＮ極とする向きの電流が通電されている。 Around the side surface of the sheet plasma deformation chamber 20, a circular first electromagnetic coil 23 (air core coil) surrounding the sheet plasma deformation chamber 20 and demonstrating the propulsive force of the cylindrical plasma 22 in the Z direction is disposed. Yes. In addition, the winding of the first electromagnetic coil 23 is energized in a direction in which the cathode K side is the S pole and the anode A side is the N pole.
また、この第１の電磁コイル２３のＺ方向の前方側（アノードＡに近い側）には、Ｘ方向に延びる一対の角形の棒磁石２４Ａ、２４Ｂ（永久磁石；磁界発生手段の対）が、シートプラズマ変形室２０（輸送空間２１）を挟むように、Ｙ方向に所定の間隔を隔てて配設されている。また、これらの棒磁石２４Ａ、２４ＢのＮ極同士が対向し合っている。 A pair of rectangular bar magnets 24A and 24B (permanent magnets; a pair of magnetic field generating means) extending in the X direction are provided on the front side in the Z direction (side closer to the anode A) of the first electromagnetic coil 23. The sheet plasma deformation chamber 20 (transportation space 21) is disposed with a predetermined interval in the Y direction. Further, the N poles of these bar magnets 24A and 24B face each other.
第１の電磁コイル２３により輸送空間２１に形成されるコイル磁界と、棒磁石２４Ａ、２４Ｂにより輸送空間２１に形成される磁石磁界との相互作用に基づいて、円柱プラズマ２２は、その輸送方向（Ｚ方向）の輸送中心を含むＸＺ平面（以下、「主面Ｓ」という）に沿って拡がる、均一なシート状のプラズマ（以下、「シートプラズマ２７」という）に変形される。 Based on the interaction between the coil magnetic field formed in the transport space 21 by the first electromagnetic coil 23 and the magnet magnetic field formed in the transport space 21 by the bar magnets 24A and 24B, the columnar plasma 22 has its transport direction ( It is transformed into a uniform sheet-like plasma (hereinafter referred to as “sheet plasma 27”) that spreads along an XZ plane (hereinafter referred to as “main surface S”) including the transport center in the Z direction).
このようにして、シートプラズマ２７は、図１に示す如く、シートプラズマ変形室２０のＺ方向の他端と真空成膜室３０の側壁との間に介在する、シートプラズマ２７の通過用のスリット状のボトルネック部２８を介して真空成膜室３０へ引き出される。 Thus, as shown in FIG. 1, the sheet plasma 27 is a slit for passing the sheet plasma 27 interposed between the other end in the Z direction of the sheet plasma deformation chamber 20 and the side wall of the vacuum film formation chamber 30. It is drawn out to the vacuum film forming chamber 30 through the bottleneck portion 28 having a shape.
なお、ボトルネック部２８の間隔（Ｙ方向寸法）および厚み（Ｚ方向寸法）並びに幅（Ｘ方向寸法）は、シートプラズマ２７を適切に通過するように設計されている。 The distance (Y direction dimension), thickness (Z direction dimension), and width (X direction dimension) of the bottleneck portion 28 are designed to pass through the sheet plasma 27 appropriately.
次に、スパッタリング装置１００の真空成膜室３０の構成について述べる。 Next, the configuration of the vacuum film forming chamber 30 of the sputtering apparatus 100 will be described.
真空成膜室３０は、例えば、シートプラズマ２７中のＡｒ+の衝突エネルギによりターゲット３５Ｂの材料をスパッタリング粒子として叩き出すスパッタリングプロセス用の成膜チャンバに相当する。 The vacuum film formation chamber 30 corresponds to, for example, a film formation chamber for a sputtering process in which the material of the target 35B is beaten as sputtering particles by Ar + collision energy in the sheet plasma 27.
真空成膜室３０は、Ｙ方向の軸を中心とした円柱状の減圧可能な成膜空間３１を有し、この成膜空間３１は、バルブ３７により開閉可能な排気口から真空ポンプ３６（例えばターボポンプ）により真空引きされている。これにより、当該成膜空間３１はスパッタリングプロセス可能なレベルの真空度にまで速やかに減圧される。 The vacuum film formation chamber 30 has a columnar film formation space 31 that can be decompressed with an axis in the Y direction as the center, and this film formation space 31 is connected to a vacuum pump 36 (for example, an exhaust port that can be opened and closed by a valve 37). It is evacuated by a turbo pump. As a result, the deposition space 31 is quickly depressurized to a degree of vacuum that allows a sputtering process.
ここで、成膜空間３１には、その機能上、上下方向（Ｙ方向）において、ボトルネック部２８の間隔に対応する水平面（ＸＺ平面）に沿った中央空間を境にして、板状のターゲット３５Ｂを格納するターゲット空間と、板状の基板３４Ｂを格納する基板空間と、がある。 Here, the film-forming space 31 has a plate-like target in the vertical direction (Y direction) from the center space along the horizontal plane (XZ plane) corresponding to the distance between the bottleneck portions 28 in the vertical direction (Y direction). There is a target space for storing 35B and a substrate space for storing the plate-like substrate 34B.
つまり、ターゲット３５Ｂは、ターゲットホルダ３５Ａに装着された状態において、中央空間の上方に位置するターゲット空間内に格納され、適宜のアクチュエータ（図示せず）によりターゲット空間内を上下（Ｙ方向）に移動可能に構成されている。一方、基板３４Ｂは、基板ホルダ３４Ａ（例えば、静電チャック）に装着された状態において、中央空間の下方に位置する基板空間内に格納され、適宜のアクチュエータ（図示せず）により基板空間内を上下（Ｙ方向）に移動可能に構成されている。 That is, the target 35B is stored in the target space located above the central space in a state where it is mounted on the target holder 35A, and is moved up and down (Y direction) in the target space by an appropriate actuator (not shown). It is configured to be possible. On the other hand, the substrate 34B is stored in a substrate space located below the central space when mounted on the substrate holder 34A (for example, an electrostatic chuck), and is moved in the substrate space by an appropriate actuator (not shown). It is configured to be movable up and down (Y direction).
なお、上述の中央空間は、真空成膜室３０においてシートプラズマ２７の主成分を輸送させる空間である。 The central space described above is a space for transporting the main component of the sheet plasma 27 in the vacuum film forming chamber 30.
このようにして、ターゲット３５Ｂおよび基板３４Ｂは互いに、シートプラズマ２７の厚み方向（Ｙ方向）に一定の好適な間隔Ｌ（以下、「Ｔ−Ｓ距離Ｌ」と略す）を隔てるようにして、このシートプラズマ２７を挟み、成膜空間３１内に対向して配置されている。 In this way, the target 35B and the substrate 34B are separated from each other by a predetermined suitable distance L (hereinafter abbreviated as “TS distance L”) in the thickness direction (Y direction) of the sheet plasma 27. The sheet plasma 27 is sandwiched between the film formation spaces 31.
ターゲット３５Ｂは、スパッタリングプロセス中には、直流のバイアス電源５２によりバイアス電圧ＶＢ（マイナス電圧；但し、本明細書では、バイアス電圧ＶＢの数値表記についてはマイナスの符号「−」を省略している）が印加されている。このバイアス電圧ＶＢはバイアス電源５２を用いて調整できる。これにより、シートプラズマ２７中のＡｒ+がターゲット３５Ｂに向かって引き付けられる。 During the sputtering process, the target 35B is biased with a bias voltage VB (minus voltage; however, in this specification, the minus sign “-” is omitted for the numerical representation of the bias voltage VB). Is applied. This bias voltage VB can be adjusted using a bias power source 52. Thereby, Ar + in the sheet plasma 27 is attracted toward the target 35B.
その結果、Ａｒ+とターゲット３５Ｂとの間の衝突エネルギによりターゲット３５Ｂから放出される粒子が、ターゲット３５Ｂから基板３４Ｂに向かって叩き出され、基板３４Ｂ上に堆積膜が形成される。なお、基板ホルダ３４Ａは接地されており、この基板ホルダ３４Ａを適宜の冷凍機（図示せず）を用いて冷却できる。 As a result, particles emitted from the target 35B by the collision energy between Ar + and the target 35B are knocked out from the target 35B toward the substrate 34B, and a deposited film is formed on the substrate 34B. The substrate holder 34A is grounded, and the substrate holder 34A can be cooled using an appropriate refrigerator (not shown).
ところで、基板３４Ｂを半導体デバイス用の銅（Ｃｕ）電極配線構造のシリコン基板とする場合、上述の堆積膜を、電解メッキによるＣｕ電極配線を形成する場合の下地電極膜（シード膜）として形成できる。この場合、銅製のターゲット３５Ｂ（以下、「Ｃｕターゲット３５Ｂ」と略す）およびシリコン製の基板３４Ｂ（以下、「シリコン基板３４Ｂ」と略す）を真空成膜室３０に格納した後、真空成膜室３０を適宜の真空度に減圧し、シートプラズマ２７を真空成膜室３０内に輸送するとよい。その後、シートプラズマ２７中のＡｒ+によりスパッタリングされたＣｕターゲット３５Ｂの銅（Ｃｕ）材料からなる堆積膜（以下、「Ｃｕ堆積膜」と略す）をシリコン基板３４Ｂに形成するとよい。 By the way, when the substrate 34B is a silicon substrate having a copper (Cu) electrode wiring structure for a semiconductor device, the above-described deposited film can be formed as a base electrode film (seed film) in forming a Cu electrode wiring by electrolytic plating. . In this case, after the copper target 35B (hereinafter abbreviated as “Cu target 35B”) and the silicon substrate 34B (hereinafter abbreviated as “silicon substrate 34B”) are stored in the vacuum film formation chamber 30, the vacuum film formation chamber 30 may be decompressed to an appropriate degree of vacuum, and the sheet plasma 27 may be transported into the vacuum film formation chamber 30. Thereafter, a deposited film (hereinafter abbreviated as “Cu deposited film”) made of a copper (Cu) material of the Cu target 35B sputtered by Ar + in the sheet plasma 27 may be formed on the silicon substrate 34B.
なお、このようなシートプラズマ２７を用いたスパッタリングプロセスにより、Ｃｕ堆積膜を形成する場合において、シリコン基板３４ＢでのＣｕ凝集を抑制できる成膜条件（放電電流ＩＤおよびバイアス電圧ＶＢ）については後述する。 In the case where a Cu deposited film is formed by such a sputtering process using the sheet plasma 27, film forming conditions (discharge current ID and bias voltage VB) that can suppress Cu aggregation on the silicon substrate 34B will be described later. .
次に、ボトルネック部２８から見て、Ｚ方向に対向する位置の真空成膜室３０の周辺構成を説明する。 Next, the peripheral configuration of the vacuum film forming chamber 30 at a position facing the Z direction when viewed from the bottleneck portion 28 will be described.
当該位置の真空成膜室３０の側壁にはアノードＡが配置され、この側壁とアノードＡとの間には、プラズマ通過用の通路２９が設けられている。 An anode A is disposed on the side wall of the vacuum film forming chamber 30 at this position, and a passage 29 for passing plasma is provided between the side wall and the anode A.
アノードＡは、カソードＫとの間で基準電位が与えられ、カソードＫおよびアノードＡの間のアーク放電によるシートプラズマ２７中の荷電粒子（特に電子）を回収する役割を担っている。 The anode A is supplied with a reference potential between the cathode K and plays a role of collecting charged particles (particularly electrons) in the sheet plasma 27 due to arc discharge between the cathode K and the anode A.
また、アノードＡの裏面（カソードＫに対する対向面の反対側の面）には、アノードＡ側をＳ極、大気側をＮ極とした永久磁石３８が配置されている。このため、この永久磁石３８のＮ極から出てＳ極に入るＸＺ平面に沿った磁力線により、アノードＡに向かうシートプラズマ２７の幅方向（Ｘ方向）の拡散を抑えるようにシートプラズマ２７が幅方向に収束され、シートプラズマ２７の荷電粒子が、アノードＡに適切に回収される。 Further, on the back surface of the anode A (surface opposite to the surface facing the cathode K), a permanent magnet 38 having the anode A side as the S pole and the atmosphere side as the N pole is disposed. For this reason, the sheet plasma 27 has a width so as to suppress diffusion in the width direction (X direction) of the sheet plasma 27 toward the anode A by the magnetic field lines along the XZ plane exiting from the N pole of the permanent magnet 38 and entering the S pole. The charged particles of the sheet plasma 27 are appropriately collected in the anode A.
また、円形状の第２および第３の電磁コイル３２、３３（空心コイル）は、互いに対をなして、真空成膜室３０の側壁を臨むようにして成膜空間３１を挟み、異極同士（ここでは、第２の電磁コイル３２はＮ極、第３の電磁コイル３３はＳ極）を向かい合わせて配置されている。 Further, the circular second and third electromagnetic coils 32 and 33 (air core coils) are paired with each other, sandwich the film formation space 31 so as to face the side wall of the vacuum film formation chamber 30, and have different polarities (here) Then, the second electromagnetic coil 32 and the third electromagnetic coil 33 are arranged so as to face each other.
第２の電磁コイル３２は、棒磁石２４Ａ、２４Ｂと真空成膜室３０との間のＺ方向の適所に配置され、第３の電磁コイル３３は、真空成膜室３０の側壁とアノードＡとの間のＺ方向の適所に配置されている。 The second electromagnetic coil 32 is disposed at an appropriate position in the Z direction between the bar magnets 24A and 24B and the vacuum film forming chamber 30, and the third electromagnetic coil 33 is formed of the side wall of the vacuum film forming chamber 30, the anode A, and the like. It is arranged at a proper position in the Z direction between the two.
第２および第３の電磁コイル３２、３３の対により作られるコイル磁界（例えば１０Ｇ〜３００Ｇ程度）によれば、シートプラズマ２７は、その幅方向（Ｘ方向）の拡散を適切に抑えるように整形される。 According to the coil magnetic field (for example, about 10G to 300G) formed by the pair of the second and third electromagnetic coils 32 and 33, the sheet plasma 27 is shaped so as to appropriately suppress the diffusion in the width direction (X direction). Is done.
次に、スパッタリング装置１００を用いて、Ｃｕ凝集を抑制できる成膜条件（特に、放電電流ＩＤおよびバイアス電圧ＶＢ）について吟味する。 Next, the sputtering apparatus 100 is used to examine film formation conditions (particularly, discharge current ID and bias voltage VB) that can suppress Cu aggregation.
まず、Ｃｕ堆積膜の厚さを固定する場合に、シリコン基板３４Ｂ上のＣｕ材料からなる塊（以下、「Ｃｕ凝集体」と略す）の生成の様子と、スパッタリング装置１００の成膜条件（バイアス電圧ＶＢおよび放電電流ＩＤ）との間の関連性を検証した。以下、この検証実験の結果を述べる。 First, when the thickness of the Cu deposited film is fixed, the state of generation of a lump made of Cu material (hereinafter abbreviated as “Cu aggregate”) on the silicon substrate 34B and the film formation conditions (bias) of the sputtering apparatus 100 The relationship between the voltage VB and the discharge current ID) was verified. The results of this verification experiment are described below.
図２は、Ｃｕ堆積膜の厚さを固定する場合に、バイアス電圧および放電電流の変化によるＣｕ凝集体生成の様子を示した図（写真）である。 FIG. 2 is a diagram (photograph) showing how Cu aggregates are generated due to changes in bias voltage and discharge current when the thickness of the Cu deposited film is fixed.
なお、ここでは、シリコン酸化層のホール（０．２μｍ径）の壁部に、Ｃｕ堆積膜を形成した例が写されている。 Here, an example in which a Cu deposited film is formed on the wall portion of the hole (0.2 μm diameter) of the silicon oxide layer is shown.
Ｃｕターゲット３５Ｂに印加されるバイアス電圧ＶＢ（マイナス電圧）として、ＶＢ＝６００（Ｖ）、８００（Ｖ）、１０００（Ｖ）を選び、シートプラズマ２７の放電電流ＩＤとして、ＩＤ＝４０（Ａ）、５０（Ａ）、６０（Ａ）を選んでいる。このため、図２では、３種類のバイアス電圧ＶＢおよび３種類の放電電流ＩＤの組合せからなる９つの成膜条件を用いて形成されたＣｕ堆積膜の断面写真が掲載されている。 VB = 600 (V), 800 (V), 1000 (V) is selected as the bias voltage VB (negative voltage) applied to the Cu target 35B, and ID = 40 (A) as the discharge current ID of the sheet plasma 27 , 50 (A), 60 (A) are selected. For this reason, FIG. 2 shows a cross-sectional photograph of a Cu deposited film formed using nine film forming conditions composed of combinations of three types of bias voltage VB and three types of discharge current ID.
なお、バイアス電圧ＶＢがマイナス電圧側に高いほど、Ｃｕ堆積膜の成膜レートが高くなり、放電電流ＩＤが多いほど、Ｃｕ堆積膜の成膜レートが高くなる。よって、上述の各成膜条件では、Ｃｕ堆積膜を所望の厚みに成膜できるよう、成膜時間（バイアス電圧ＶＢの印加時間）が調整されている。 The higher the bias voltage VB is on the negative voltage side, the higher the deposition rate of the Cu deposited film. The higher the discharge current ID, the higher the deposition rate of the Cu deposited film. Therefore, under each of the film forming conditions described above, the film forming time (application time of the bias voltage VB) is adjusted so that the Cu deposited film can be formed in a desired thickness.
また、本検証実験では、Ｔ−Ｓ距離Ｌは一定に設定され、シリコン基板３４Ｂを冷却する基板ホルダ３４Ａの冷却温度は一定（例えば、−２０℃）に設定されている。 In this verification experiment, the TS distance L is set to be constant, and the cooling temperature of the substrate holder 34A for cooling the silicon substrate 34B is set to be constant (for example, −20 ° C.).
図２中には、各成膜条件において、Ｃｕ凝集体（写真表面において白く写った粒体）の生成の有無について目視による官能評価がなされ、「Ｃｕ凝集体生成なし」、「Ｃｕ凝集体生成少しあり」および「Ｃｕ凝集体生成あり」という結果が記載されている。 In FIG. 2, a sensory evaluation is visually performed for the presence or absence of the formation of Cu aggregates (grains appearing white on the photographic surface) under each film forming condition, and “Cu aggregates are not generated” and “Cu aggregates are generated”. The results are “slightly present” and “with Cu agglomerates”.
この検証実験によれば、バイアス電圧ＶＢが一定の場合、放電電流ＩＤが多くなるに連れて、Ｃｕ凝集体が現れ易いことが分かる。また、放電電流ＩＤが一定の場合、バイアス電圧ＶＢが小さくなるに連れて（つまり、ゼロボルトに近づくに連れて）、Ｃｕ凝集体が現れ易いことが分かる。 According to this verification experiment, it can be seen that when the bias voltage VB is constant, Cu aggregates tend to appear as the discharge current ID increases. It can also be seen that when the discharge current ID is constant, Cu aggregates tend to appear as the bias voltage VB decreases (that is, as the voltage approaches zero volts).
よって、本検証実験の結果から、Ｃｕ堆積膜において一定の厚みを確保しようとする場合には、バイアス電圧ＶＢをマイナス電圧側に高めに設定し、放電電流ＩＤを少なめに設定する方が、Ｃｕ凝集抑制に有利に作用すると判断できる。 Therefore, from the result of this verification experiment, when it is intended to ensure a certain thickness in the Cu deposited film, it is better to set the bias voltage VB higher on the negative voltage side and set the discharge current ID smaller. It can be judged that it acts advantageously on aggregation suppression.
次に、Ｃｕ堆積膜の成膜レートを固定する場合に、シリコン基板３４Ｂ上のＣｕ凝集体生成の様子と、スパッタリング装置１００の成膜条件（バイアス電圧ＶＢおよび放電電流ＩＤ）との間の関連性を検証した。以下、この検証実験の結果を述べる。 Next, when the deposition rate of the Cu deposited film is fixed, the relationship between the state of Cu aggregate formation on the silicon substrate 34B and the deposition conditions (bias voltage VB and discharge current ID) of the sputtering apparatus 100 The sex was verified. The results of this verification experiment are described below.
図３は、Ｃｕ堆積膜の成膜レートが一定となるライン近傍のＣｕ凝集体生成の様子を示した図（写真）である。図３の横軸にバイアス電圧をとり、図３の縦軸に放電電流をとっている。 FIG. 3 is a diagram (photograph) showing how Cu aggregates are generated near the line where the deposition rate of the Cu deposition film is constant. The horizontal axis in FIG. 3 represents the bias voltage, and the vertical axis in FIG. 3 represents the discharge current.
また、本検証実験では、Ｔ−Ｓ距離Ｌは一定に設定され、シリコン基板３４Ｂを冷却する基板ホルダ３４Ａの冷却温度は一定（例えば、−２０℃）に設定されている。 In this verification experiment, the TS distance L is set to be constant, and the cooling temperature of the substrate holder 34A for cooling the silicon substrate 34B is set to be constant (for example, −20 ° C.).
図３では、Ｃｕ堆積膜の成膜レートが約４０Å／Ｓ（秒）となるライン２００が図示されている。そして、このライン２００の上方の領域Ａが、Ｃｕ堆積膜の成膜レートが４０Å／Ｓよりも高い領域に相当し、このライン２００の下方の領域Ｂが、Ｃｕ堆積膜の成膜レートが４０Å／Ｓよりも低い領域に相当する。 FIG. 3 shows a line 200 where the deposition rate of the Cu deposition film is about 40 Å / S (seconds). The region A above the line 200 corresponds to a region where the deposition rate of the Cu deposition film is higher than 40 Å / S, and the region B below the line 200 corresponds to the deposition rate of the Cu deposition film of 40 Å. This corresponds to a region lower than / S.
上述のとおり、バイアス電圧ＶＢがマイナス電圧側に高いほど、Ｃｕ堆積膜の成膜レートが高くなり、放電電流ＩＤが多いほど、Ｃｕ堆積膜の成膜レートが高くなるので、Ｃｕ堆積膜の成膜レートが一定（４０Å／Ｓ）となるライン２００は、バイアス電圧ＶＢを横軸にとり、放電電流ＩＤを縦軸にとる直交座標系では、図３に示す如く放物線を描くことになる。 As described above, the higher the bias voltage VB is on the negative voltage side, the higher the deposition rate of the Cu deposition film, and the higher the discharge current ID, the higher the deposition rate of the Cu deposition film. A line 200 having a constant film rate (40 Å / S) draws a parabola as shown in FIG. 3 in an orthogonal coordinate system having the bias voltage VB on the horizontal axis and the discharge current ID on the vertical axis.
バイアス電圧ＶＢ（マイナス電圧）および放電電流ＩＤが互いに異なり、ライン２００よりも僅かに上方に位置する２つの成膜ポイント２０１、２０２を選び、これらの成膜ポイントでの成膜条件を用いて、シリコン酸化層のホール（０．２μｍ径）の壁部に、Ｃｕ堆積膜をスパッタリング形成した際のＣｕ堆積膜の断面写真が図３に掲載されている。 The bias voltage VB (negative voltage) and the discharge current ID are different from each other, and two film formation points 201 and 202 that are slightly above the line 200 are selected, and the film formation conditions at these film formation points are used. FIG. 3 shows a cross-sectional photograph of the Cu deposited film when the Cu deposited film is formed by sputtering on the wall of the hole (0.2 μm diameter) of the silicon oxide layer.
図３に示すように、成膜ポイント２０１の成膜条件は、バイアス電圧ＶＢ＝６００Ｖ、放電電流ＩＤ＝６０Ａであり、成膜ポイント２０２の成膜条件は、バイアス電圧ＶＢ＝１０００Ｖ、放電電流ＩＤ＝４０Ａである。 As shown in FIG. 3, the film formation conditions at the film formation point 201 are the bias voltage VB = 600 V and the discharge current ID = 60 A, and the film formation conditions at the film formation point 202 are the bias voltage VB = 1000 V and the discharge current ID. = 40A.
この検証実験によれば、成膜ポイント２０１、２０２の成膜レートが何れも４０Å／Ｓに近接しているにも拘らず、両者間においてＣｕ凝集体生成に大きな差異が見られた。具体的には、成膜ポイント２０１では、図３の点線枠部分に示すように、Ｃｕ凝集体の生成が明瞭に確認された。一方、成膜ポイント２０２では、Ｃｕ凝集体の生成が確認されなかった。 According to this verification experiment, although the film formation rates of the film formation points 201 and 202 were close to 40 Å / S, there was a large difference in the formation of Cu aggregates between the two. Specifically, at the film formation point 201, as shown in the dotted line frame portion of FIG. On the other hand, the formation of Cu aggregates was not confirmed at the film formation point 202.
よって、本検証実験の結果から、Ｃｕ堆積膜の成膜レートを固定する場合、シリコン基板３４ＢにおいてＣｕ凝集を起こし難い放電電流ＩＤは、当該Ｃｕ凝集を起こし易い放電電流ＩＤよりも少ないと考えられる。また、Ｃｕ凝集を起こし難いバイアス電圧ＶＢは、当該Ｃｕ凝集を起こし易い前記バイアス電圧ＶＢよりもマイナス電圧側に高いと考えられる。 Therefore, from the result of this verification experiment, when the deposition rate of the Cu deposited film is fixed, it is considered that the discharge current ID that hardly causes Cu aggregation in the silicon substrate 34B is less than the discharge current ID that easily causes Cu aggregation. . Further, it is considered that the bias voltage VB that hardly causes Cu aggregation is higher on the negative voltage side than the bias voltage VB that easily causes Cu aggregation.
次に、Ｃｕ堆積膜の成膜レートを固定する場合に、以上に述べたバイアス電圧ＶＢおよび放電電流ＩＤの選び方によって、Ｃｕ凝集体生成に差異が生じる理由を検証した。以下、この検証実験の結果を述べる。 Next, when the deposition rate of the Cu deposited film was fixed, the reason why a difference in the Cu aggregate generation was verified depending on the selection of the bias voltage VB and the discharge current ID described above. The results of this verification experiment are described below.
図４は、Ｃｕ堆積膜の成膜レートを固定する場合に、Ｃｕ堆積膜の成膜時（バイアス電圧ＶＢの印加時）を含むようにシリコン基板の基板表面温度の変化を表す温度プロファイルを示した図である。図４の横軸に、プラズマガンの補助放電開始時からの経過時間（Ｓ）をとり、図４の縦軸に、シリコン基板の基板表面温度（℃）をとっている。 FIG. 4 shows a temperature profile representing a change in the substrate surface temperature of the silicon substrate so as to include the time when the Cu deposition film is formed (when the bias voltage VB is applied) when the deposition rate of the Cu deposition film is fixed. It is a figure. The horizontal axis in FIG. 4 represents the elapsed time (S) from the start of the auxiliary discharge of the plasma gun, and the vertical axis in FIG. 4 represents the substrate surface temperature (° C.) of the silicon substrate.
また、本検証実験では、Ｔ−Ｓ距離Ｌは一定に設定され、シリコン基板３４Ｂを冷却する基板ホルダ３４Ａの冷却温度は一定（例えば、−２０℃）に設定されている。 In this verification experiment, the TS distance L is set to be constant, and the cooling temperature of the substrate holder 34A for cooling the silicon substrate 34B is set to be constant (for example, −20 ° C.).
図４では、Ｃｕ堆積膜の成膜レートを固定する場合の、バイアス電圧（マイナス電圧）および放電電流の３種類の組合せが選ばれている。 In FIG. 4, three types of combinations of bias voltage (minus voltage) and discharge current when the deposition rate of the Cu deposited film is fixed are selected.
具体的には、Ｃｕ凝集が起こるバイアス電圧ＶＢ１および放電電流ＩＤ１の例として、ＶＢ１＝５８０Ｖ、ＩＤ１＝６５Ａおよび成膜時間（バイアス電圧ＶＢの印加時間）＝２７Ｓ（固定）とする成膜条件が選ばれている。そして、この成膜条件を用いてＣｕ堆積膜を形成した場合のシリコン基板３４Ｂの温度の変化が、図４の温度プロファイル３００として描かれている。 Specifically, as an example of the bias voltage VB1 and the discharge current ID1 at which Cu aggregation occurs, the film formation conditions are VB1 = 580V, ID1 = 65A, and film formation time (application time of the bias voltage VB) = 27S (fixed). Has been chosen. A change in the temperature of the silicon substrate 34B when the Cu deposited film is formed using the film forming conditions is depicted as a temperature profile 300 in FIG.
また、Ｃｕ凝集が起こらないバイアス電圧ＶＢ２および放電電流ＩＤ２として、ＶＢ２＝１０００Ｖ、ＩＤ２＝４０Ａおよび成膜時間＝２７Ｓ（固定）とする成膜条件が選ばれている。そして、この成膜条件を用いてＣｕ堆積膜を形成した場合のシリコン基板３４Ｂの温度の変化が、図４の温度プロファイル３０２として描かれている。 In addition, as the bias voltage VB2 and the discharge current ID2 at which Cu aggregation does not occur, film formation conditions are selected such that VB2 = 1000 V, ID2 = 40 A, and film formation time = 27 S (fixed). A change in the temperature of the silicon substrate 34B when the Cu deposited film is formed using the film forming conditions is depicted as a temperature profile 302 in FIG.
また、Ｃｕ凝集が起こり始めるバイアス電圧ＶＢ３および放電電流ＩＤ３として、ＶＢ３＝７００Ｖ、ＩＤ３＝５５Ａおよび成膜時間＝２７Ｓ（固定）とする成膜条件が選ばれている。そして、この成膜条件を用いてＣｕ堆積膜を形成した場合のシリコン基板３４Ｂの温度の変化が、図４の温度プロファイル３０１として描かれている。 Further, as the bias voltage VB3 and the discharge current ID3 at which Cu aggregation starts to occur, film formation conditions are selected such that VB3 = 700V, ID3 = 55A, and film formation time = 27S (fixed). A change in the temperature of the silicon substrate 34B when the Cu deposited film is formed using the film forming conditions is depicted as a temperature profile 301 in FIG.
図４から容易に理解できるとおり、Ｃｕ凝集が起こり難い場合の温度プロファイル３０２の昇温スピードは、Ｃｕ凝集が起こり易い場合の温度プロファイル３００の昇温スピードに比べて遅くなっており、このことが、バイアス電圧ＶＢおよび放電電流ＩＤの選び方によって、Ｃｕ凝集体生成に差異を生じさせる直接的な要因であると考えられる。 As can be easily understood from FIG. 4, the temperature increase rate of the temperature profile 302 when Cu aggregation is unlikely to occur is slower than the temperature increase rate of the temperature profile 300 when Cu aggregation is likely to occur. It is considered that this is a direct factor that causes a difference in Cu aggregate formation depending on how the bias voltage VB and the discharge current ID are selected.
この検証実験によれば、Ｃｕ堆積膜の成膜レートを固定する場合、スパッタリング装置１００の放電電流ＩＤを低減すると（言い換えれば、バイアス電圧ＶＢをマイナス電圧側に高めると）、シートプラズマ２７によってシリコン基板３４Ｂに伝わる熱量（具体的には、温度プロファイル３００、３０１、３０２の時間積分値）を少なめに制御できるという知見が得られた。そして、このような知見は、シリコン基板３４Ｂの温度が高いとＣｕ凝集が生じ易いという既成事実に完全に合致する。 According to this verification experiment, when the deposition rate of the Cu deposition film is fixed, if the discharge current ID of the sputtering apparatus 100 is reduced (in other words, the bias voltage VB is increased to the negative voltage side), the sheet plasma 27 causes silicon to It was found that the amount of heat transmitted to the substrate 34B (specifically, the time integral values of the temperature profiles 300, 301, 302) can be controlled to a small extent. Such knowledge completely matches the established fact that Cu aggregation is likely to occur when the temperature of the silicon substrate 34B is high.
また、この知見は、図２において掲載した各写真でのＣｕ凝集体の官能評価の結果とも合致すると考えられる。 In addition, this finding is considered to be consistent with the results of the sensory evaluation of the Cu aggregates in the photographs shown in FIG.
つまり、バイアス電圧ＶＢをマイナス電圧側に高くすると、Ｃｕ堆積膜の成膜レートが高くなる。よって、Ｃｕ堆積膜の厚さが固定されている場合では（図２の場合）、バイアス電圧ＶＢをマイナス電圧側に高くすると、シートプラズマ２７からシリコン基板３４Ｂに伝わる伝熱時間を短縮できる。その結果、バイアス電圧ＶＢをマイナス電圧側に高くすることが、図２に示した如く、Ｃｕ凝集の抑制に有利に作用すると解される。 That is, when the bias voltage VB is increased to the negative voltage side, the deposition rate of the Cu deposited film is increased. Therefore, when the thickness of the Cu deposited film is fixed (in the case of FIG. 2), the heat transfer time transmitted from the sheet plasma 27 to the silicon substrate 34B can be shortened by increasing the bias voltage VB to the negative voltage side. As a result, it is understood that increasing the bias voltage VB to the negative voltage side has an advantageous effect on suppressing Cu aggregation as shown in FIG.
また、放電電流ＩＤを少なくすると、シートプラズマ２７による放熱が抑制され、シートプラズマ２７からシリコン基板３４Ｂに伝わる熱量が少なくなる。その結果、放電電流ＩＤを少なくすることが、図２に示した如く、Ｃｕ凝集の抑制に有利に作用すると解される。なお、放電電流ＩＤが少ないと、成膜時間を長めにとる必要があるので、放電電流ＩＤの最適値は、両者によるシリコン基板３４Ｂに伝わる熱量のバランスを勘案して決定するとよい。 Further, when the discharge current ID is reduced, heat dissipation by the sheet plasma 27 is suppressed, and the amount of heat transferred from the sheet plasma 27 to the silicon substrate 34B is reduced. As a result, it is understood that reducing the discharge current ID has an advantageous effect on suppressing Cu aggregation as shown in FIG. If the discharge current ID is small, it is necessary to increase the film formation time. Therefore, the optimum value of the discharge current ID may be determined in consideration of the balance of the amount of heat transferred to the silicon substrate 34B.
以上のとおり、本実施形態のスパッタリング装置１００では、シートプラズマ２７中のＡｒ+によりスパッタリングされたＣｕターゲット３５Ｂの銅材料が、シリコン基板３４Ｂにおいて凝集を起こさないよう、プラズマガン電源５０を用いて放電電流ＩＤを調整し、バイアス電源５２を用いてバイアス電圧ＶＢを調整している。 As described above, in the sputtering apparatus 100 of the present embodiment, the discharge is performed using the plasma gun power source 50 so that the copper material of the Cu target 35B sputtered by Ar + in the sheet plasma 27 does not aggregate in the silicon substrate 34B. The current ID is adjusted, and the bias voltage VB is adjusted using the bias power source 52.
例えば、Ｃｕ堆積膜の成膜レートを固定する場合、シリコン基板３４ＢにおいてＣｕ凝集を起こさないよう、放電電流ＩＤを、当該Ｃｕ凝集を起こす放電電流ＩＤよりも少なくする方が好ましい。また、Ｃｕ凝集を起こさないよう、バイアス電圧ＶＢを、当該Ｃｕ凝集を起こす前記バイアス電圧ＶＢよりもマイナス電圧側に高くする方が好ましい。そして、このようなバイアス電圧ＶＢおよび放電電流ＩＤの調整によれば、シートプラズマ２７によってシリコン基板３４Ｂに伝わる熱量を少なく制御できる。 For example, when the deposition rate of the Cu deposition film is fixed, it is preferable to make the discharge current ID smaller than the discharge current ID causing the Cu aggregation so as not to cause Cu aggregation in the silicon substrate 34B. In order not to cause Cu aggregation, it is preferable to set the bias voltage VB higher on the minus voltage side than the bias voltage VB causing the Cu aggregation. According to such adjustment of the bias voltage VB and the discharge current ID, the amount of heat transmitted to the silicon substrate 34B by the sheet plasma 27 can be controlled to be small.
よって、本実施形態では、放電電流ＩＤおよびバイアス電圧ＶＢの簡易な調整により、Ｃｕ堆積膜の成膜レートを低下させずに、Ｃｕ凝集を適切かつ容易に抑制できる。 Therefore, in the present embodiment, Cu aggregation can be appropriately and easily suppressed by a simple adjustment of the discharge current ID and the bias voltage VB without lowering the deposition rate of the Cu deposition film.
特に、本実施形態では、Ｃｕ堆積膜を電解メッキによるＣｕ電極配線形成時の下地電極膜に用いる場合、Ｃｕ凝集の適切かつ容易な抑制により、Ｃｕ電極配線の電解メッキ時の不良発生を簡易に改善できて好都合である。 In particular, in this embodiment, when a Cu deposited film is used as a base electrode film when forming a Cu electrode wiring by electrolytic plating, the occurrence of defects during the electrolytic plating of the Cu electrode wiring can be simplified by appropriate and easy suppression of Cu aggregation. It is convenient to improve.
なお、本実施形態では、Ｃｕターゲット３５Ｂを用いてＣｕをスパッタリングする例を述べたが、これは一例に過ぎない。例えば、Ｃｕと同様に凝集が起こり易い銀（Ａｇ）ターゲットを用いたＡｇのスパッタリングであっても、本技術を適用できる。 In the present embodiment, an example in which Cu is sputtered using the Cu target 35B has been described, but this is only an example. For example, the present technology can be applied even to sputtering of Ag using a silver (Ag) target that is likely to agglomerate similarly to Cu.
また、本実施形態では、スパッタリング装置１００として、均一かつ大面積の成膜を行えるシートプラズマ２７を用いた装置が示されている。しかし、これに限らず、プラズマガンの放電電流とターゲットのバイアス電圧を個別に（独立的に）制御できるスパッタリング装置であれば、本技術を適用でき、例えば、プラズマガンから放出された円柱状のプラズマを用いたスパッタリングプロセスにも本技術を適用できる。 In the present embodiment, an apparatus using a sheet plasma 27 capable of forming a film with a uniform and large area is shown as the sputtering apparatus 100. However, the present technology is not limited to this, and the present technology can be applied to any sputtering apparatus that can individually (independently) control the discharge current of the plasma gun and the bias voltage of the target, for example, a cylindrical shape emitted from the plasma gun The present technology can also be applied to a sputtering process using plasma.
本発明によれば、スパッタリング膜の成膜レートを低下させずに、ターゲットのスパッタリング時に生じるターゲット材料の凝集を適切かつ容易に抑制できるスパッタリング装置およびスパッタリング方法が得られる。よって、本発明は、プラズマを利用したスパッタリング装置に利用できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the sputtering apparatus and sputtering method which can suppress appropriately and easily aggregation of the target material produced at the time of sputtering of a target are obtained, without reducing the film-forming rate of a sputtering film | membrane. Therefore, the present invention can be used for a sputtering apparatus using plasma.
２０ シートプラズマ変形室
２１ 輸送空間
２２ 円柱プラズマ
２３ 第１の電磁コイル
２４Ａ、２４Ｂ 棒磁石
３６ 真空ポンプ
３７ バルブ
２７ シートプラズマ
２８ ボトルネック部
２９ 通路
３０ 真空成膜室
３１ 成膜空間
３２ 第２の電磁コイル
３３ 第３の電磁コイル
３４Ａ 基板ホルダ
３４Ｂ 基板（シリコン基板）
３５Ａ ターゲットホルダ
３５Ｂ ターゲット（Ｃｕターゲット）
３８ 永久磁石
４０ プラズマガン
４１ カソードユニット
４１Ａ ガラス管
４１Ｂ 蓋部材
５０ プラズマガン電源
５２ バイアス電源
７０ 電力発生部
１００ スパッタリング装置
Ａ アノード
Ｇ1、Ｇ2 中間電極
Ｋ カソード
Ｒ1、Ｒ2 抵抗素子
Ｓ 主面
20 Sheet Plasma Deformation Chamber 21 Transport Space 22 Cylindrical Plasma 23 First Electromagnetic Coils 24A, 24B Bar Magnet 36 Vacuum Pump 37 Valve 27 Sheet Plasma 28 Bottleneck 29 Passage 30 Vacuum Deposition Chamber 31 Deposition Space 32 Second Electromagnetic Coil 33 Third electromagnetic coil 34A Substrate holder 34B Substrate (silicon substrate)
35A target holder 35B target (Cu target)
38 permanent magnet 40 plasma gun 41 cathode unit 41A glass tube 41B lid member 50 plasma gun power source 52 bias power supply 70 power generating section 100 sputtering device A anode G 1, G 2 intermediate electrode K cathode R 1, R 2 the resistance element S main surface
Claims (6)
カソードユニットを有して、前記カソードユニットおよびアノード間の放電により、前記真空成膜室内にプラズマを形成可能なプラズマガンと、
前記プラズマガンに電力を供給するプラズマガン電源と、
前記ターゲットにバイアス電圧を印加するバイアス電源と、
を備え、
前記プラズマ中の荷電粒子によりスパッタリングされた前記ターゲットの材料が、前記基板において凝集を起こさないよう、前記プラズマの放電電流が前記プラズマガン電源を用いて調整され、かつ、前記バイアス電圧が前記バイアス電源を用いて調整されている、スパッタリング装置。 A vacuum deposition chamber for storing a substrate and a target;
A plasma gun having a cathode unit and capable of forming plasma in the vacuum film-forming chamber by discharge between the cathode unit and the anode;
A plasma gun power supply for supplying power to the plasma gun;
A bias power source for applying a bias voltage to the target;
With
The discharge current of the plasma is adjusted using the plasma gun power supply so that the target material sputtered by charged particles in the plasma does not agglomerate in the substrate, and the bias voltage is set to the bias power supply. A sputtering apparatus that is adjusted using
前記凝集を起こさない前記放電電流は、前記凝集を起こす前記放電電流よりも少なく、かつ、前記凝集を起こさない前記バイアス電圧は、前記凝集を起こす前記バイアス電圧よりもマイナス電圧側に高い請求項１記載のスパッタリング装置。 When positive ions are used as the charged particles and the deposition rate of the deposited film made of the material on the substrate is fixed,
The discharge current that does not cause the aggregation is smaller than the discharge current that causes the aggregation, and the bias voltage that does not cause the aggregation is higher on the negative voltage side than the bias voltage that causes the aggregation. The sputtering apparatus as described.
プラズマガンから放出されたプラズマを前記真空成膜室内に輸送し、その後、
前記プラズマ中の荷電粒子によりスパッタリングされた前記ターゲットの材料が、前記基板において凝集を起こさないよう、前記プラズマの放電電流および前記ターゲットに印加するバイアス電圧を調整する、スパッタリング方法。 After storing the substrate and the target in the vacuum film formation chamber, the vacuum film formation chamber is depressurized,
The plasma released from the plasma gun is transported into the vacuum film formation chamber, and then
A sputtering method in which a discharge current of the plasma and a bias voltage applied to the target are adjusted so that the target material sputtered by charged particles in the plasma does not aggregate in the substrate.
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