JP3683336B2

JP3683336B2 - 積層構造の形成方法

Info

Publication number: JP3683336B2
Application number: JP08512896A
Authority: JP
Inventors: 圭市橋本
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1996-04-08
Filing date: 1996-04-08
Publication date: 2005-08-17
Anticipated expiration: 2016-04-08
Also published as: JPH09272972A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、反応性スパッタリングによる、化合物膜の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの高集積化や微細化に伴い、配線の密度も増加し多層化が進んでいる。多層配線構造の一つとして、ＴｉＮ（窒化チタン）等からなる化合物膜の層を、バリアメタルとして下層配線に用いた構造が知られている。デバイスの微細化に伴い、多層配線のコンタクト孔も微細になっていくため、このように微細なコンタクト孔部分における配線層のステップカバレージを向上させるために、次のＩおよびIIに示すような特殊な技術が不可欠となっている。これらはいずれも、従来既知のスパッタ装置に、反応ガスと必要ならば不活性ガスを含む放電ガスを供給してプラズマを発生させることにより、サセプタ（基板ホルダーともいう。）に搭載した基板上に化合物膜を形成する方法、すなわち反応性スパッタリングにより化合物膜を形成する方法である。ここでいう化合物膜とは、反応ガスとターゲットを構成する材料とが反応してできる化合物膜のことである。
【０００３】
Ｉ．文献：VMIC Conference,1992,pp.310 に開示されている技術のように、ターゲットとサセプタとの間に、複数の貫通孔がはちの巣状に配列されたコリメート板が挿入してあるスパッタ装置を用いる。
【０００４】
II．コリメート板を用いる代わりに、ターゲットとサセプタとの距離を通常よりも長い距離に設定したスパッタ装置を用いる。いわゆる遠距離スパッタリングといわれる方法である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のＩおよびIIの技術は、いずれも微細なコンタクト孔における配線層のステップカバレージが向上し、コンタクト不良を低減させることができる方法の一つとして、良く知られている。
【０００６】
しかし、上述のＩの文献に開示の技術によれば、コリメート板の位置は、ターゲットとサセプタとの間である。このため、基板上だけでなく、本来ならば膜を形成する必要のない、コリメート板のターゲット側の上面（貫通孔を除く部分）にも化合物膜が堆積してしまう。試料を次々に処理していくと、コリメート板の上面に堆積された化合物膜の膜厚が厚くなっていく。そして、化合物膜の残留応力に起因するものと考えられるが、ついにはこの膜が剥がれ出し、複数のパーティクルとなって基板上に付着する。このパーティクルが、例えばその後に配線を形成する予定の二つの箇所にまたがって付着してしまうと、実際に配線を形成する時のパターンニング（ホトリソグラフィ・エッチング）がうまく行かず、二本の配線間がショートしてしまうおそれがある。このため、歩留の低下が懸念されていた。
【０００７】
また、上述したＩおよびIIの化合物膜の形成方法によれば、いずれも化合物膜の形成のためにスパッタ装置に供給する反応ガスの圧力は、一般的に２ｍＴｏｒｒ以上の高い圧力が必要とされる。このため、今後さらに微細化が進み、コンタクト孔のアスペクト比（コンタクト孔の高さと径の比）が高くなっていくと、化合物膜のカバレージがますます悪くなるおそれもある。これは、高いガス圧で膜を形成する程、ガス分子の衝突・散乱が激しくなり、これが妨げとなって基板に垂直に入射するスパッタ粒子（ターゲットから飛び出すスパッタ粒子）が少なくなるためである。
【０００８】
その上、化合物膜を形成するときの反応ガスの圧力の設定という点においても、以下のような問題があった。図４は、通常のスパッタ装置を用い、放電ガス全体の圧力（全圧）を一定として、用いる反応ガスの圧力（分圧）を変化させながら反応性スパッタリングを行うことにより膜を形成していった場合の、膜の体積速度の相対的な変化の概形（概略的な形状）を示す特性図であり、縦軸に膜の堆積速度（基板上に膜が堆積していく速度）をとり、横軸に全圧に対する反応ガスの圧力（分圧）をとって示してある。このような特性図は、通常、ターゲット側電極（カソード）に電力を供給しながら成膜を行うことにより得られるものである。ここでは、放電ガスとして一般的に用いられる、反応ガスと不活性ガスとの混合ガスを用いた場合の例として説明をする。図４からも理解できるように、反応ガスの圧力がある程度低い範囲（図中の（α））のときまでは、膜の堆積速度は相対的に見て非常に速い。しかし、Ｐc₁点を境に反応ガスの圧力がその範囲（α）を超えて高くなっていくと、堆積速度は急激に低下してＰc₂点に達し、Ｐc₂点を境に緩やかに低下、あるいはほぼ安定する範囲（β）となる。ここで、Ｐc₁点以下の範囲（α）の反応ガス圧で膜を形成した場合は、化合物膜が形成されず、主にターゲットを構成する材料の堆積膜が形成される。例えば、ターゲットがＴｉ、反応ガスがＮ₂ の場合、範囲（α）の反応ガス圧で膜を形成すると、ＴｉＮ膜は形成されず、Ｎを含んだＴｉ膜が形成される。一方、Ｐc₂以上の高い圧力の範囲（β）でガスを供給すると、ＴｉＮ膜（化合物膜）が形成される。堆積速度が低下するのは、ターゲットの窒化によるものと考えられている。従来、反応性スパッタリングで化合物膜を形成する場合は、抵抗率の低い良質の膜を得るために、十分高い反応ガス圧（図４の範囲（β）の反応ガス圧）で形成されてきた。このため、膜を形成する速度を速くしようとしても限界があり、量産性に乏しいという問題点があった。
【０００９】
したがって、配線間のショートやコンタクト不良等の発生を抑えることができ、しかも膜形成速度が速く量産性の高い、化合物膜の形成方法の出現が望まれる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため、この発明の第１の化合物膜の形成方法（以下、第１の方法と称することがある。）によれば、ターゲットとサセプタとの間にコリメート板を挿入したスパッタ装置に、反応ガスと必要ならば不活性ガスを含む放電ガスを供給して、反応性スパッタリングにより、サセプタに搭載した基板上に化合物膜を形成するに当たり、次のａ）およびｂ）の特徴を有する。なお、ここでいう不活性ガスとは、通常のスパッタに用いられる、希ガスのことである。一般的に用いられるＡｒ（アルゴン）の他、Ｋｒ（クリプトン）、Ｘｅ（キセノン）、Ｎｅ（ネオン）、およびＲｎ（ラドン）もスパッタ用の不活性ガスとして用いることができる。
【００１１】
ａ）初期設定として、ターゲット側電極のみに、実際に化合物膜を形成するときの電圧を印加し、および、反応ガスの圧力を化合物膜が形成されない範囲内の値に設定する。
【００１２】
ｂ）初期設定の反応ガスの圧力の値を保持しながら、高周波電圧をサセプタに断続的に印加することにより基板に負のバイアスを誘起させた状態で、積層構造を成膜する。
【００１３】
まず、上記のａ）に示すように、実際に膜を形成するときの反応ガス圧を、予め設定しておく必要がある。このためには、すでに説明してある図４に示す特性図の範囲（α）の値を調べれば良い。スパッタリングの最も基本となるパラメータは、ターゲット側電極に供給する電力および反応ガスの圧力であるため、実際に化合物膜を形成する時の電圧をターゲット側電極に印加しながら、また、スパッタ装置に送り込む反応ガスの圧力を変化させながら、基板上に膜を形成し、範囲（α）の値を調べる。そして、実際に膜を形成する時の反応ガスのガス圧を、この範囲内の値（＞０（ゼロよりも大きい））に設定する。用いるスパッタ装置によってもこの値は変わるので、ゼロよりも大きい好適な値に設定するとよい。本来ならば、反応性スパッタリングにおける反応ガスの圧力は図４における範囲（β）の値でなければ化合物膜を形成することはできないが、上記のｂ）に示すように、膜形成時にターゲット側電極のみならずサセプタにも高周波電圧を印加すると、セルフバイアス効果により基板に負の自己バイアスが誘起され、化合物膜を成膜することができる。セルフバイアス効果とは、プラズマ中のイオンと電子との動きやすさの差によって、サセプタ側に直流的な負のバイアスが加わることをいう。また、ここでいう高周波電圧は、１３．５６Ｈz の割当周波数の電圧のことである。ターゲットをＴｉ、反応ガスをＮ₂ 、形成したい化合物膜をＴｉＮ膜として説明すると、ターゲット電極に供給された電力により発生したプラズマ中のイオンのうち主としてＮ₂ ⁺が、基板側に発生した負のバイアスにより、基板に堆積されたＴｉ膜中に引き込まれる。このため、結果的にＴｉＮ膜が形成することができる。
【００１４】
このように、ターゲットが窒化されない範囲内の値（＞０）の反応ガス圧を供給して膜を形成することができると、図４からも理解できるように膜の堆積速度が速くなり、従来に比べて膜形成に要する時間を短くすることができる。
【００１５】
また、化合物膜が形成されない範囲の反応ガス圧は、従来に比べて低い。このため、Ａｒガスのような不活性ガスとの混合ガスを放電ガスとして用いた場合も、反応ガスの分圧が低くなるために、放電ガスの全体の圧力も従来に比べて低く（２ｍＴｏｒｒよりも小さく）できることになる。よって、ガス分子の衝突・散乱も少なくなり、基板に垂直に入射するスパッタ粒子が多くなる。
【００１６】
また、化合物膜は自己バイアスが誘起される基板のみに成膜されるため、コリメート板の上面には、ターゲットを構成する材料からなる膜が形成される。例えば、基板上に形成する膜がＴｉＮ膜の場合は、コリメート板の上面には、残留応力が小さく密着性の良いＴｉ膜が形成される。このため、パーティクルの発生を抑えることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態及び参考例につき説明をする。各図は、発明が理解できる程度に各構成成分の大きさ、形状および位置関係等を概略的に示してあるにすぎず、したがって図示例にのみ限定されるものではない。また、断面を示すハッチングは一部分を除き省略してある。
【００２３】
＜第１の参考例＞
化合物膜の形成方法の一例について説明する。
【００２４】
図１は、第１の参考例の説明に供する図であり、スパッタ装置の構成を概略的に示す断面図である。スパッタリングを行うスパッタチャンバ１１には、このスパッタチャンバ１１内を真空引きするための真空ポンプ３１と、スパッタチャンバ１１に放電ガスを供給するためのガス導入管４１とが接続してある。スパッタチャンバ１１は、次のように構成されている。ターゲット側電極（カソード）１３は、ターゲット１５を搭載し、基板１９を搭載するサセプタ１７と対向して設置されている。また、ターゲット１５とサセプタ１７（基板１９）との間に、コリメート板２１が設置（挿入）されている。このコリメート板２１には、複数の貫通孔２１ａがはちの巣状に配列されている。また、ターゲット１５から基板１９に至る部分、すなわちプラズマ放電が発生する部分を取り囲むように、シールド板２３が設けられている。そして、ターゲット側電極１３には直流電源２５が接続してあり、サセプタ１７には、高周波（ＲＦ）電源２７が接続してある。
【００２５】
この化合物膜の形成方法によれば、まず、初期設定として、ターゲット側電極１３のみに、実際に化合物膜を形成するときの電圧を印加し、および、反応ガスの圧力を化合物膜が形成されない範囲内の値、すなわち図４における範囲（α）の値に設定する。ここでは、ターゲット１５をＴｉ、反応ガスをＮ₂ 、形成する化合物膜をＴｉＮとする。そしてまず、Ｎ₂ ガスの圧力の設定をする。スパッタチャンバ１１を、真空ポンプ３１で１×１０^-7Ｔｏｒｒ以下まで真空引きする。その後、放電ガスをガス導入管４１から供給する。放電ガスは、ここではＮ₂ ガスとＡｒガスとの混合ガスとし、放電ガス全体の圧力（全圧）を一定にしてＮ₂ ガスの圧力（分圧）を変化させていきながら、ターゲット側電極１３に電圧を印加して成膜をしていった。そしてその結果、図４の点Ｐc₁に相当するＮ₂ のガス圧の値を求め、膜形成時にスパッタ装置に供給するＮ₂ のガス圧をこの値（全圧に対するＮ₂ ガスの分圧の値は、１０．５％程度）とした。
【００２６】
次に、この化合物膜の形成方法によれば、初期設定の反応ガスの圧力の値を保持しながら、高周波電圧をサセプタに印加することにより基板に負のバイアスを誘起させた状態で、化合物膜を成膜する。
【００２７】
ここでは、まず、真空ポンプ３１により、スパッタチャンバ１１を１×１０^-7Ｔｏｒｒ以下まで真空引きする。次に、ガス導入管４１から、上記の条件の放電ガスをスパッタチャンバ１１内に供給する。チャンバ１１内のガス圧が安定したら、直流電源２５から、ターゲット側電極１３に電圧を印加し、１．８ｋＷのＤＣ電力が生じるようにする。さらに、サセプタ１７に、高周波電源２７から電圧を印加する。ここでは１３．５６ＭＨｚの高周波の電圧を、８００Ｗの電力が生じるように印加する。以上の処理を行うことにより、基板１９に、−１００Ｖ〜−９２０Ｖ程度の自己バイアスを誘起させることができる。また、以上の処理を行う時に、基板１９を１００℃〜５００℃程度に加熱する。加熱機能を有するサセプタ１７を用いると、基板１９の加熱は容易に行える。
【００２８】
図２は、ＴｉＮ膜が成膜される様子を示す概念図である。チャンバ１１内に放電ガスを供給し、ターゲット側電極１３に電力を供給すると、図２に示すようなプラズマが発生する。Ａｒ⁺ 、Ｎ₂ ⁺によりターゲット１５がスパッタされてスパッタ粒子（Ｔｉ原子、Ｎ原子）が飛び出し、コリメート板２１の貫通孔２１ａを通って基板１９上に成膜される。ターゲット１５は窒化していないため、基板１９上にはＴｉＮ膜ではなく、Ｎを含んだＴｉ膜が形成されるが、基板１９に誘起された負の自己バイアスによって、プラズマ中の主にＮ₂ ⁺ がＴｉ膜中に引き込まれるため、結果的にＴｉＮ膜が形成されることになる。
【００２９】
＜第１の実施の形態＞
第１の実施の形態は、第１の参考例の変形例であり、化合物膜とターゲットを構成する金属材料との積層構造を形成する場合に適用した例である。この場合は、高周波電圧を断続的に印加するとよい。すなわち、高周波電圧のオン・オフを連続して行う。そうすれば、基板１９への高周波電圧が印加されていないとき（ここでは高周波電源側の回路が接地の状態となり、ターゲット電極のみに電圧が印加されている状態を指す。）にはＴｉＮ膜は形成されず、Ｔｉ膜が形成されるため、化合物膜（ＴｉＮ膜）と、ターゲット１５を構成する金属材料（Ｔｉ膜）との積層構造を形成することができる。最下層をＴｉ膜にすると、配線の下地であるＳｉ基板中の拡散層との接触抵抗を低減させることができる上にオーミック特性を有する膜が得られるという利点がある。その他の部分は第１の参考例と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【００３０】
＜第２の参考例＞
第２の参考例も、基本的には第１の参考例と同様である。ここでは、第１の参考例で用いた放電ガスに、さらに１０ｍＴｏｒｒ以下の分圧のＨｅ（ヘリウム）ガスを添加する。このため、イオン化率が向上してプラズマ密度が高くなり、その結果成膜に要する時間をさらに短縮することができる。Ｈｅガスは軽いガスなので、上記のガス圧のＨｅガスを添加しても、ガス分子の衝突・散乱が激しくなる心配があまりない。したがって、Ｈｅガスを除く放電ガスの圧力を１ｍＴｏｒｒ以下程度に抑えることができる場合は、好ましくはＨｅガスを加えるのが良い。その他の部分は第１の参考例と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【００３１】
＜第３の参考例＞
第３の参考例も、基本的には第１の参考例と同様である。ここでは、第１の参考例で用いた放電ガスのうち、Ａｒガスの代わりに、Ｋｒ（クリプトン）、Ｘｅ（キセノン）およびＲｎ（ラドン）のうちから選ばれたガスを使用する。これらのガスは、いずれもＡｒよりも重い不活性ガスであるため、スパッタ粒子が基板に垂直に入射する率がさらに増し、コンタクト孔のステップカバレージを向上させることができる。
【００３２】
＜第４の参考例＞
第４の参考例は、化合物膜の形成方法の一例である。基本的な部分は第１の参考例と同様であるが、用いるスパッタ装置の構成が異なる。
【００３３】
図３は、第４の参考例に用いるスパッタ装置の構成を概略的に示す断面図である。第１の参考例と同様に、スパッタチャンバ１１０に、真空ポンプ３１０とガス導入管４１０とが接続してある。また、スパッタチャンバ１１０は、ターゲット１５０を搭載するターゲット側電極１３０と、基板１９０を搭載するサセプタ１７０、ターゲット側電極１３０に接続された直流電源２５０、サセプタ１７０に接続された高周波（ＲＦ）電源２７０等で構成される。第４の参考例では、コリメート板を用いる代わりに、図中に示すターゲット１５０とサセプタ１７０との距離Ｗを１５０ｍｍ〜５００ｍｍの範囲内に設定する。このような遠距離スパッタを行うのは、例えばアスペクト比が４以上のコンタクト孔を有する基板に、１００ｎｍ程度の膜を形成する場合等が考えられる。成膜の手順等は第１の参考例と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【００３４】
この発明は、例示の形態にのみ限定されるものではないことは明らかである。例えば、上述の各形態においては、いずれもＴｉＮ膜の形成に適用した例が挙げてあるが、例えばＴａＮ（窒化タンタル）、ＷＮ（窒化タングステン）等にも適用することができる。その他、この発明の化合物膜の形成方法で実施可能であれば、これらの化合物膜に限定されることはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】化合物膜の形成（第１の参考例）に用いるスパッタ装置の概略的な断面図である。
【図２】ＴｉＮ膜が成膜される様子を示す概念図である。
【図３】化合物膜の形成（第４の参考例）に用いるスパッタ装置の概略的な断面図である。
【図４】通常のスパッタ装置を用いて、放電ガスの全圧を一定としたときに、用いる反応ガスの圧力を変化させながら反応性スパッタリングを行うことにより膜を形成していった場合の、膜の堆積速度の相対的な変化の概形を示す特性図である。
【符号の説明】
１１、１１０：スパッタチャンバ
１３、１３０：ターゲット側電極（カソード）
１５、１５０：ターゲット
１７、１７０：サセプタ１９、１９０：基板
２１：コリメート板２１ａ：貫通孔
２３、２３０：シールド板
２５、２５０：直流電源
２７、２７０：高周波電源
３１、３１０：真空ポンプ
４１、４１０：ガス導入管

Claims

ターゲットとサセプタとの間にコリメート板を挿入したスパッタ装置に、反応ガスと必要ならば不活性ガスを含む放電ガスを供給して、反応性スパッタリングにより、前記サセプタに搭載した基板上に、化合物膜と前記ターゲットを構成する金属材料との積層構造を形成するに当たり、
ａ）初期設定として、ターゲット側電極のみに、実際に前記化合物膜を形成するときの電圧を印加し、および、前記反応ガスの圧力を前記化合物膜が形成されない範囲内の値に設定し、
ｂ）前記初期設定の前記反応ガスの圧力の値を保持しながら、高周波電圧を前記サセプタに断続的に印加することにより前記基板に負のバイアスを誘起させた状態で、前記積層構造を成膜すること
を特徴とする積層構造の形成方法。
請求項１に記載の積層構造の形成方法において、
前記ターゲットをＴｉ（チタン）とし、
前記反応ガスをＮ₂ （窒素）ガスとし、前記化合物膜をＴｉＮ（窒化チタン）膜としたことを特徴とする積層構造の形成方法。