JP3793273B2

JP3793273B2 - Manufacturing method of semiconductor integrated circuit device

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Publication number: JP3793273B2
Application number: JP03025996A
Authority: JP
Inventors: 達之齋藤; 直樹福田
Original assignee: Renesas Technology Corp
Current assignee: Renesas Technology Corp
Priority date: 1996-02-19
Filing date: 1996-02-19
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2016-02-19
Also published as: JPH09228040A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜形成装置および薄膜形成方法ならびに半導体集積回路装置に関し、特に、高いアスペクト比のコンタクトホール、ビアホール等の開孔を有する高性能な半導体集積回路装置の製造に適用して有効な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路装置に用いられる金属膜等の導電膜は、通常スパッタリング等のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition ）法を用いて形成される。
【０００３】
スパッタリング法は、一般に、対向して設置されたアノードおよびカソードとなる２つの電極の間に、直流または交流の電界を印加し、両電極間に発生したプラズマの作用によりカソード上に設置したターゲット物質をスパッタし、このスパッタされた物質をアノード上に設置した基板に体積させるものである。
【０００４】
電極の構造は平行平板形であることが一般的であるが、プラズマの密度向上を目的としてカソード裏面に磁石を配置し、マグネトロンプラズマを生成する場合もある。
【０００５】
ターゲット物質は、被形成薄膜の物質組成と化学量論的に同一となる材料が一般的には選ばれるが、プラズマを構成するガスの反応性を利用して、被形成薄膜の物質組成をターゲット物質の組成から変化させる反応性スパッタとされることもある。
【０００６】
１９８３年７月２５日、工業調査会発行、「最新ＬＳＩプロセス技術」、ｐ２４６に記載されているとおり、基板が設置されるアノードは加熱され、被形成薄膜の堆積は、基板の温度が雰囲気温度よりも高くなっている状態で行われるのが一般的である。
【０００７】
ところで、本発明者は、基板を加熱する理由について検討した。以下は、公知とされた技術ではないが、発明者により検討された技術であり、その概要は次のとおりである。
【０００８】
すなわち、被形成薄膜の成膜メカニズムにおいて、ターゲットからスパッタされた物質（クラスタ物質と云われる）が基板表面に輸送されてきた後、そのクラスタ物質が薄膜の被形成表面を泳動する距離は、被形成表面の温度に依存し、その温度が高いほど泳動距離は長いと考えらる。泳動距離が長いほど被形成薄膜の欠陥は減少し、特性的には導電率の向上を示す。配線としてこのスパッタ薄膜を用いる場合には、薄膜の導電率は重要な特性評価項目となる。なお、基板の加熱は、アノードからの滅伝導加熱の他に、赤外線等による直接加熱が採用される場合もある。
【０００９】
従って、スパッタ法を用いた薄膜形成装置においては、基板ホルダーでもあるアノードに加熱用ヒータを備える。なお、加熱用ヒータに加えて冷却水循環機構を有している場合もあるが、ここでの冷却水の役割は、ヒータによる入熱量の調整を行うことを目的とするものであり、環境温度より高い温度領域での基板温度の制御性を確保するものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、半導体集積回路装置の集積度が向上するに従い、段差の被覆性（ステップカバレッジ）が問題となる。つまり、集積度の向上に従って開孔等のアスペクト比は高くなり、開孔の底面あるいは側面での薄膜の被覆性が低下するという問題を生じる。
【００１１】
上記問題は、本発明者らの検討により以下のように理解することができる。すなわち、従来の基板加熱を行う薄膜形成装置では、基板表面の薄膜被形成表面は、従来技術の項で説明したとおりクラスタが十分泳動できる状態にある。クラスタの泳動距離の増大は、薄膜被形成表面での他のクラスタとの会合（衝突）確率の増大をもたらす。この会合が起こればかなりの確率で相互のクラスタは結合し、表面自由エネルギの減少を伴って、結晶粒へと成長することとなる。この結晶粒の大きさが被形成薄膜の膜厚に比べて十分小さい場合には問題はあまりないが、開孔の微細化、高アスペクト比化に伴って、開孔底面あるいは側面に形成する薄膜の膜厚が薄くなる場合、特に開孔内に形成する薄膜を積層化する場合の下層とする場合には、要求される膜厚は５０〜２００Åと薄く、数十クラスタ（数原子の元素で１つのクラスタが形成されると考えられている）の会合で膜厚相当の厚さの結晶粒が成長してしまう。このような結晶粒の成長は、スパッタ物質により基板表面が被覆されない島状成長つまり基板表面被覆率の低下あるいは表面平坦性の劣化を引き起こすこととなる。
【００１２】
このような基板表面被覆率の低下あるいは表面平坦性の劣化は、その後の製造プロセスに悪影響を及ぼすと同時に半導体集積回路装置の製造歩留まりの低下を招くという問題を生じる。
【００１３】
本発明の目的は、膜厚の薄いスパッタ薄膜においても、高い表面被覆率および良好な表面平坦性を実現できる薄膜形成装置を提供することにある。
【００１４】
本発明の他の目的は、高い表面被覆率および良好な表面平坦性を有する膜厚の薄いスパッタ薄膜の製造方法を提供することにある。
【００１５】
本発明のさらに他の目的は、高い表面被覆率および良好な表面平坦性を有するスパッタ薄膜を用いて、信頼性が高く、製造歩留まりの高い半導体集積回路装置とその製造方法を提供することにある。
【００１６】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１８】
（１）本発明の薄膜形成装置は、その内部の圧力を大気圧以下の圧力に保持することができる一または二以上の真空容器と、真空容器内の気体を排気する排気手段と、真空容器のうち少なくとも一の真空容器に一定流量のガスを供給するガス供給手段と、ガスを排気し、一の真空容器内の圧力を所定の圧力に保持する圧力調整手段と、ガスの全部もしくは一部をプラズマ状態にすることができるプラズマ生成手段と、プラズマに接し、薄膜の原料となる物質を主成分とする材料をその表面に有するターゲットと、プラズマの作用によって前記ターゲットからスパッタリングされた原料物質がその表面に堆積される基板を保持する基板ホルダと、を含む薄膜形成装置であって、基板ホルダは、基板を冷却する冷却機構を備えるものである。
【００１９】
このような薄膜形成装置によれば、基板ホルダに冷却機構を備えているため、基板を冷却することが可能であり、前記した薄膜被形成表面でのクラスタの泳動距離を小さくすることができる。このため、被形成表面での結晶粒の成長は抑制され、基板の表面被覆率は高くなり、また、表面平坦性も向上することとなる。その結果、この薄膜形成装置を用いて製造した半導体集積回路装置の信頼性は向上し、製造歩留まりも向上することとなる。
【００２０】
なお、前記冷却機構は、基板ホルダを冷媒により冷却する機構の他に、ペルチェ素子等を用いた電子冷却とすることもできる。
【００２１】
また、本発明の薄膜形成装置におけるプラズマ生成手段は、平行平板電極を用いた一般的なプラズマ発生手段の他に、マグネトロンプラズマ、ＥＣＲプラズマ（Electron Cyclotron Resonance Plasma ）、ヘリコン波プラズマ等の高密度プラズマを用いることもできる。
【００２２】
（２）本発明の薄膜形成装置は、前記した（１）に記載の薄膜形成装置であって、冷却機構は、０℃以下においても凝固しない冷媒を利用して基板ホルダを冷却する機構を有するものであり、基板を室温以下の温度に保持できるものである。
【００２３】
このような薄膜形成装置によれば、冷却機構は０℃以下においても凝固しない冷媒を利用するものであるため、基板を室温以下の温度に保持することができ、より表面被覆率が高く、表面平坦性に優れた薄膜を形成することができる。
【００２４】
また、このような薄膜形成装置によれば、冷媒を用いるため、装置の構造を簡略化することができ、保守等が容易になることに加え、高周波プラズマ等を生成する場合であっても、そのプラズマ発生用の電界に影響されることなく温度制御が可能になるという利点を有する。
【００２５】
（３）本発明の薄膜形成装置は、前記した（１）または（２）に記載の薄膜形成装置であって、少なくとも１つの真空容器は、基板を加熱する基板加熱手段を備えているものである。
【００２６】
このような薄膜形成装置によれば、基板冷却が可能な基板ホルダを有する真空容器あるいは他の真空容器に、基板加熱が可能な基板加熱手段を備えているため、薄膜堆積前の基板に付着した残留ガスあるいは水分を有効に除去することができる。また、基板を冷却した状態でのスパッタ成膜の後に、同一の真空容器で、あるいは他の真空容器で基板を加熱した状態での薄膜の堆積を実行することができる。
【００２７】
（４）本発明の薄膜形成装置は、前記した（１）〜（３）に記載の薄膜形成装置であって、少なくとも１つの真空容器は、その真空容器内の圧力を大気圧以上の加圧状態に保持することができるものである。
【００２８】
このような薄膜形成装置によれば、基板冷却が可能な基板ホルダを有する真空容器あるいは他の真空容器が、その真空容器内の圧力を大気圧以上の加圧状態に保持することができるため、開孔等に堆積した薄膜にボイドを有する場合であっても、この圧力の力学的な作用により、ボイドを埋め込むことが可能である。
【００２９】
（５）本発明の薄膜形成方法は、前記した（１）〜（４）に記載の薄膜形成装置を用いて基板に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、基板を室温以下の温度に保持した状態で、プラズマの作用によりターゲットから原料物質をスパッタし、基板に薄膜を堆積する工程を含むものである。
【００３０】
このような薄膜形成方法によれば、基板を室温以下に保持するため、基板表面の薄膜が堆積される被形成表面でのクラスタの泳動が抑制され、表面被覆率が高く、表面平坦性に優れたスパッタ薄膜を形成することができる。
【００３１】
（６）本発明の薄膜形成方法は、前記した（３）または（４）に記載の薄膜形成装置を用いて基板に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、基板を室温以下の温度に保持した状態で、プラズマの作用によりターゲットから原料物質をスパッタし、基板に薄膜を堆積する第１の工程、その後、基板を１００℃以上の温度に保持した状態で、プラズマの作用によりターゲットから原料物質をスパッタし、基板に薄膜を堆積する第２の工程、を含むものである。
【００３２】
このような薄膜形成方法によれば、基板を室温以下に保持したスパッタ薄膜形成の後に、基板を１００℃以上の温度に保持した状態で薄膜を形成するため、前記（５）の効果に加え、高いアスペクト比の開孔であっても容易に開孔の穴埋めが可能である。すなわち、基板の温度が高いため、クラスタの泳動や粒成長が促進され、その結果開孔内部に流動性を持ったクラスタが引きずりこまれ、開孔を埋め込むことができるからである。
【００３３】
（７）本発明の薄膜形成方法は、前記した（４）に記載の薄膜形成装置を用いて基板に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、基板を室温以下の温度に保持した状態で、プラズマの作用によりターゲットから原料物質をスパッタし、基板に薄膜を堆積する第１の工程、その後、基板を１００℃以上の温度に保持した状態で、プラズマの作用によりターゲットから原料物質をスパッタし、基板に薄膜を堆積する第２の工程、その後、前記基板を大気圧以上の加圧状態に保持する第３の工程、を含むものである。
【００３４】
このような薄膜形成方法によれば、基板を室温以下に保持したスパッタ薄膜形成の後に、基板を１００℃以上の温度に保持した状態で薄膜を形成し、その後、基板を加圧状態に保持するため、前記（５）および（６）の効果に加え、第２の工程における薄膜形成の結果開孔にボイドが形成されても、加圧状態による物理的な圧力によってそのボイドを押しつぶし、ボイドを無くすことができる。加圧圧力は１００気圧以上、好ましくは４００気圧〜５００気圧である。この加圧工程において同時に基板を加熱することも効果的である。なお、第１の工程を経ずに、第２および第３の工程により開孔の穴埋めを行うことも可能であるが、第１の工程が存在することにより、開孔内の薄膜の表面被覆率および表面平坦性が向上しているため、第３の工程における圧力および温度の条件を緩和し、より低い圧力、より低い温度で、前記ボイドを消滅させることが可能となる。
【００３５】
（８）本発明の薄膜形成方法は、前記した（６）または（７）に記載の薄膜形成方法であって、第１の工程から第２の工程、または第２の工程から第３の工程に移行する際に、基板を、非酸化性または還元性雰囲気に置くことを特徴とするものである。
【００３６】
このような薄膜形成方法によれば、前記各工程間の休止時あるいは移動時にその直前に形成された薄膜の表面を酸化することなく、次工程の薄膜堆積時にクラスタの十分な表面泳動を実現でき、開孔をボイドの無い状態で埋め込むことができる。
なお、非酸化性雰囲気には、高真空状態に数分以下の短時間曝す場合も含むものである。このような場合も、薄膜の表面を酸化させにくいものだからである。
【００３７】
（９）本発明の半導体集積回路装置は、基板の主面に半導体素子を有し、半導体素子を覆う絶縁層に設けられた開孔を介して半導体素子または下層配線に接する配線を有する半導体集積回路装置であって、配線は、基板を室温以下の温度に保持した状態で、プラズマの作用によるターゲットからの原料物質のスパッタリングにより、基板に堆積された第１の導電層と、基板を１００℃以上の温度に保持した状態で、プラズマの作用によるターゲットからの原料物質のスパッタリングにより、基板に堆積された第２の導電層と、を含むものである。
【００３８】
このような半導体集積回路装置によれば、その配線を構成する第１層が、基板を室温以下の温度に保持した状態で、プラズマの作用によるターゲットからの原料物質のスパッタリングにより製造されたものであるため、開孔内の第１層の表面被覆率が高く、表面平坦性にも優れたものとなっている。このため、半導体集積回路装置の信頼性および製造歩留まりを高くすることができる。
【００３９】
また、前記配線の第２層が、基板を１００℃以上の温度に保持した状態で、プラズマの作用によるターゲットからの原料物質のスパッタリングにより、基板に堆積されたものであるため、第２層の導電率は十分高く、半導体集積回路装置の基本的な性能を発揮することができる。
【００４０】
なお、この半導体集積回路装置は、１００気圧以上の高い圧力下に保持して製造されたものであってもよい。その場合、開孔のボイドの存在確率は低くなり、信頼性および製造歩留まりは向上する。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００４２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である薄膜形成装置の成膜室の一例を示した側面断面図であり、図２は、本発明の一実施の形態である薄膜形成装置の成膜室の別の一例を示した側面断面図である。また、図３は、本発明の一実施の形態である薄膜形成装置の一例を示した上面図である。
【００４３】
本実施の形態の薄膜形成装置は、図３に示すとおり、半導体集積回路装置の製造に用いられるウェハプロセス用の金属膜形成装置であり、真空搬送室１を中心に真空容器であるロードロック室２、前処理加熱室３、前処理スパッタエッチ室４、Ｔｉスパッタ成膜室５、第１のＡｌスパッタ成膜室６および第２のＡｌスパッタ成膜室７を有するマルチチャンバ成膜装置である。
【００４４】
真空搬送室１には、ロボットアーム１ａを有し、このロボットアーム１ａを用いて基板を搬送することができる。
【００４５】
ロードロック室２、前処理加熱室３、前処理スパッタエッチ室４、Ｔｉスパッタ成膜室５、第１のＡｌスパッタ成膜室６および第２のＡｌスパッタ成膜室７は、ゲートバルブ１ｂを介して真空搬送室１に接続されており、各々、残留ガスを排気し、高真空状態に保持できる排気機構と、各々の処理に応じたプロセスガスを一定流量で供給することができるガス供給系と、この供給されるガスの圧力を一定に保持することができる圧力調整系を有する。
【００４６】
また、真空搬送室１にも同様に排気機構を備えることができる。
【００４７】
ロードロック室２は、基板であるウェハ１０のロードおよびアンロードを行う処理室であり、ウェハ１０は通常カセットに複数枚セットして、カセット単位の処理を行う。
【００４８】
前処理加熱室３は、ウェハ１０をロボットアーム１ａによりロード室からロードし、加熱処理を行うことができる。これにより、ウェハ１０の表面に吸着したガスあるいは水蒸気を除去することができる。また、各処理室とは独自に前処理加熱室３を設けることにより、一般に処理時間を要する加熱処理を前もって行うことが可能となり、総タクトタイムの短縮によるスループットの向上を図ることができる。前処理加熱室３には、抵抗加熱ヒータを備えたウェハ１０のホルダあるいはウェハ１０に均一に照射することができる赤外線ヒータを備えている。
【００４９】
前処理スパッタエッチ室４は、前処理加熱室３による加熱処理では除去しきれない数分子層の水分子をスパッタイオンの作用により除去することができる。また、ウェハ１０の表面の薄膜被形成表面の薄い自然酸化膜をスパッタイオンの作用により除去することができる。前処理スパッタエッチ室４には、平行平板電極を備え、ウェハ１０は前記電極のカソード側に設置することが好ましい。
【００５０】
Ｔｉスパッタ成膜室５は、図１に示すとおり、Ｔｉターゲット５ａと冷却可能なウェハステージ８とを有するものである。
【００５１】
ウェハステージ８の内部には、冷媒導入用の流路８ａが形成されており、流路８ａは冷媒温度調節器８ｂに接続されている。また、スパッタ成膜室外部では流路８ａは、断熱材８ｃにより大気と熱的に遮断されており、結露を防止している。流路８ａには、例えばフロリナートのような冷媒８ｄを循環させることができ、冷媒温度調節器８ｂを用いた熱交換により、ウェハステージ８の温度を例えば−２０℃程度まで下げることが可能である。さらにウェハステージ８には抵抗加熱ヒータ８ｅおよび熱電対８ｆが設置されており、冷媒との併用により、例えば−１０℃程度に温度を調整し保持することが可能となっている。
【００５２】
一方、ウェハステージ８の表面には、例えば静電チャック等のウェハ保持機構８ｇが単独で、または冷却ガス吹き出し口８ｈとともにウェハ保持機構８ｇが設けられており、ウェハ１０とウェハステージ８との間の熱伝達を向上しウェハ１０とウェハステージ８との間の温度差を低減できるようになっている。
【００５３】
冷却ガス吹き出し口８ｈにつながる配管は図示しないガス供給系に接続される。また、Ｔｉターゲット５ａは、Ｔｉスパッタ成膜室５から電気的に絶縁された状態で保持され、図示しない電源に接続される。Ｔｉターゲット５ａには、電界は直流あるいは交流の電界が印加されてプラズマを生成する。このとき、ウェハステージ８は接地され、Ｔｉターゲット５ａとウェハステージ８とは互いに対向する平行平板電極を構成する。
【００５４】
第１のＡｌスパッタ成膜室６は、Ａｌターゲット６ａと冷却可能なウェハステージ８とを有するものである。ウェハステージ８およびその他電極構造等は、Ｔｉスパッタ成膜室５の場合と同様であるため、説明を省略する。
【００５５】
第２のＡｌスパッタ成膜室７は、図２に示すとおり、Ａｌターゲット７ａと加熱可能なウェハステージ１１とを有するものである。
【００５６】
ウェハステージ１１の内部には、冷却水導入用の流路１１ａが形成されており、流路１１ａは、冷却水温度調節器１１ｂに接続されている。さらにウェハステージ１１には、抵抗加熱ヒータ１１ｅおよび熱電対１１ｆが設置されており、冷却水との併用により、例えば４００℃程度に温度を調整し保持することが可能となっている。
【００５７】
一方、ウェハステージ１１の表面には、例えば静電チャック等のウェハ保持機構１１ｇが単独で、または温調用ガス吹き出し口１１ｈとともにウェハ保持機構１１ｇが設けられており、ウェハ１０とウェハステージ１１との間の熱伝達を向上しウェハ１０とウェハステージ１１との間の温度差を低減できるようになっている。
【００５８】
ガス供給系、電極構造については、Ｔｉスパッタ成膜室５の場合と同様であるため、説明を省略する。
【００５９】
なお、ここでは、ウェハステージ１１内部に冷却水導入用の流路１１ａを設け、ウェハ１０の温度制御に用いているが、これは用いても、用いなくても良い。
【００６０】
上記した本実施の形態の薄膜形成装置によれば、以下のような効果が得られる。
【００６１】
（１）ウェハステージ８を冷却することが可能となり、表面被覆率が高く、表面平坦性に優れたＴｉあるいはＡｌのスパッタ膜を得ることができる。
【００６２】
（２）冷媒８ｄとして、０℃以下においても凝固しないフロリナートを利用するため、ウェハ１０を室温以下の温度に保持することができ、より表面被覆率が高く、表面平坦性に優れたＴｉあるいはＡｌのスパッタ膜を形成することができる。
【００６３】
（３）冷媒８ｄを用いるため、装置の構造を簡略化することができ、保守等が容易になることに加え、高周波プラズマ等を生成する場合であっても、そのプラズマ発生用の電界に影響されることなく温度制御が可能になる。
【００６４】
（４）ウェハステージ１１を加熱することができるので、従来同様、導電率の高いＡｌスパッタ膜を得ることができる。
【００６５】
（５）マルチチャンバ方式を採用するため、低温にてＴｉおよびＡｌスパッタ膜を形成した後、高温にてＡｌスパッタ膜を形成することが可能である。これにより、開孔のＡｌによる埋込の際にボイドを形成しない良好な埋込膜を形成することができる。
【００６６】
（６）ロードロック室２を備えるため、ウェハ１０あたりのタクトタイムを短縮し、スループットを向上することができる。
【００６７】
（７）前処理加熱室３を備えるため、ウェハ１０の表面に吸着したガスあるいは水蒸気を除去することができる。また、総タクトタイムの短縮によるスループットの向上を図ることができる。
【００６８】
（８）前処理スパッタエッチ室４を備えるため、前処理加熱室３による加熱処理では除去しきれない数分子層の水分子をスパッタイオンの作用により除去することができる。また、ウェハ１０の表面の薄膜被形成表面の薄い自然酸化膜をスパッタイオンの作用により除去することができる。
【００６９】
なお、第２のＡｌスパッタ成膜室７には、１００気圧以上たとえば５００〜７００気圧の加圧機構を設けてもよい。このとき、同時にウェハ１０を加熱する場合には、ウェハ１０の温度を４００〜５００℃に保持できる加熱機構を備えることが望ましい。
【００７０】
このような場合には、開孔等に堆積したＡｌスパッタ薄膜にボイドを有する場合であっても、この圧力の力学的な作用により、ボイドを埋め込むことが可能となる。
【００７１】
また、本実施の形態では、ＴｉおよびＡｌのスパッタ膜を低温で形成でき、Ａｌスパッタ膜を高温で形成できる薄膜形成装置の例について説明したが、Ｔｉの代わりにＴｉＮあるいはＴｉ／ＴｉＮの積層膜が形成できる装置であっても構わない。この場合、目的物質に応じてターゲットを変更すれば実現できる。また、高温Ａｌスパッタ膜の代わりにＣＶＤ−Ｗ薄膜が形成できる装置であってもよい。
【００７２】
（実施の形態２）
図４は、本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の一例を示した断面図である。
【００７３】
ウェハ１０の主面には図示しない半導体集積回路素子が形成され、その半導体集積回路素子は、絶縁膜１０ａを介して第１層配線層である金属膜１２に接続されている。金属膜１２は、層間絶縁膜１３に穿孔した開孔１４を介して第２層配線層に接続される。第２層配線層は、Ｔｉ膜１５、低温スパッタ成膜によるＡｌ膜１６および高温スパッタ成膜によるＡｌ膜１７から構成されている。
【００７４】
次に、前記半導体集積回路装置の製造方法を図５〜図８を用いて説明する。なお、本実施の形態の半導体集積回路装置の製造方法は、実施の形態１で説明した薄膜形成装置を利用するものである。
【００７５】
図５は、本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造工程の一例を示した要部断面図である。図６〜図８は、図５における開孔１４部分の製造工程の一例を示した要部断面図である。
【００７６】
ウェハ１０の主面に公知の半導体集積回路装置の製造方法を用いて半導体集積回路素子を形成し、絶縁膜１０ａ、第１層配線層である金属膜１２を形成する。半導体集積回路素子と金属膜１２との接続のための絶縁膜１０ａに形成される開孔、および金属膜１２のパターニングは、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いることができる。その後、層間絶縁膜１３を形成し、そこに第１層配線層の金属膜１２に達する開孔１４を穿孔する（図５）。
【００７７】
次に、ウェハ１０を前記実施の形態１で説明した薄膜形成装置のロードロック室２に導入し、排気機構により真空に減圧する。
【００７８】
次に、ウェハ１０を真空搬送室１を介してロードロック室２から前処理加熱室３に移動する。前処理加熱室３ではウェハ１０を例えば４００℃に加熱することにより、ウェハ１０の表面に吸着している水分や気体分子を除去する。
【００７９】
次に、ウェハ１０を真空搬送室１を介して前処理加熱室３から前処理スパッタエッチ室４に移動する。前処理スパッタエッチ室ではアルゴンを導入しＲＦ電界を印加してプラズマを生成し、ウェハ１０を例えば−２００Ｖ程度のバイアス下でスパッタエッチを行う。これにより、開孔１４の底面に露出した金属膜１２の表面に形成された自然酸化膜を除去することができる。
【００８０】
次に、ウェハ１０を真空搬送室１を介してＴｉスパッタ成膜室５に移動する。Ｔｉスパッタ成膜室５ではウェハ１０をウェハステージ８に搭載した後、ウェハ保持機構８ｇである静電チャックに電圧を印加し、ウェハ１０をウェハステージ８に静電吸着する。
【００８１】
次に、ウェハステージ８の冷却ガス吹き出し口８ｈからアルゴンガスを導入する。この時のウェハ１０とウェハステージ８の間の空隙部でのアルゴンガスの圧力は、例えば１ｔｏｒｒ以上とすることができる。ここでウェハステージ８は冷媒温度調節器８ｂを用いた熱交換と抵抗加熱ヒータ８ｅおよび熱電対８ｆとの併用により、例えば−１０℃程度に温度を調整し保持することが可能となっている。したがってアルゴンガスによる熱伝達の作用を利用し、例えばガス導入後６０秒以降のウェハ１０の温度を、例えば０℃に保つことが可能となっている。
【００８２】
次に、ウェハ１０の温度が所望の温度である０℃に達した後、例えばウェハ１０の直径程度の間隔をあけてウェハ１０と対向に配置したＴｉターゲット５ａに電力を印加し、Ｔｉのスパッタリングを開始する。ここで、成膜条件は、例えば、圧力を0.５ｔｏｒｒ、電力密度を１４Ｗ／ｃｍ²、成膜速度を２００ｎｍ／ｍｉｎ、成膜量を２００ｎｍとすることができる。ウェハ１０に達したＴｉ粒子（クラスタ）はウェハ１０上に堆積し、Ｔｉ膜１５となるがＴｉターゲット５ａとウェハ１０の間隔が広いためＴｉ粒子のウェハ１０への入射方向がウェハ１０に垂直な方向に偏っているのに加えて、ウェハ１０の温度が低いため、Ｔｉ粒子の泳動や粒成長が抑制され、図６に示すように開孔１４内部で良好な段差被覆性を示す。
【００８３】
次に、ウェハ１０を真空搬送室１を介してＡｌスパッタ成膜室６に移動する。Ａｌスパッタ成膜室６では、ウェハ１０をウェハステージ８に搭載した後、静電チャック等のウェハ保持機構８ｇに電圧を印加し、ウェハ１０をウェハステージ８に静電吸着する。
【００８４】
次に、ウェハステージ８の冷却ガス吹き出し口８ｈからアルゴンガスを導入する。この時のウェハ１０とウェハステージ８との間の空隙部でのアルゴンガスの圧力は、例えば１ｔｏｒｒ以上とすることができる。ここでウェハステージ８は冷媒温度調節器８ｂを用いた熱交換と抵抗加熱ヒータ８ｅおよび熱電対８ｆとの併用により、例えば−１０℃程度に温度を調整し保持することが可能となっている。したがってアルゴンガスによる熱伝達の作用を利用し、例えばガス導入後６０秒以降のウェハ１０の温度を、例えば０℃に保つことが可能となっている。ウェハ１０の温度が所望の温度である０℃に達した後、例えばウェハ１０の直径程度の間隔をあけてウェハ１０と対向に配置したＡｌターゲット６ａに電力を印加し、Ａｌのスパッタリングを開始する。ここで、成膜条件は、例えば、圧力を0.５ｔｏｒｒ、電力密度を１４Ｗ／ｃｍ²、成膜速度を２００ｎｍ／ｍｉｎ、成膜量を４００ｎｍとすることができる。ウェハ１０に達したＡｌ等のターゲット粒子（クラスタ）は、ウェハ１０上に堆積し、Ａｌ膜１６となるが、Ａｌターゲット６ａとウェハ１０との間隔が広いため、Ａｌ等の粒子のウェハ１０への入射方向がウェハ１０に垂直な方向に偏っているのに加えて、ウェハ１０の温度が低いため、Ａｌ等のターゲット粒子の泳動や粒成長が抑制され、図７に示すように開孔１４内部で良好な段差被覆性を示す。なお、比較のため、一般的な高温成膜装置で堆積した場合の高温スパッタＡｌ膜の段差被覆性を図９に示す。
【００８５】
次に、ウェハ１０を真空搬送室１を介してＡｌスパッタ成膜室７に移動する。この時、真空搬送室１およびＡｌスパッタ成膜室７の真空度と搬送時間は搬送中に基板表面に入射する水や酸素などの不純物がＡｌ膜表面を被覆してしまわないよう非酸化性雰囲気に制御することができる。本実施の形態の場合の具体的な数値として、真空度は例えば１×１０^-7ｔｏｒｒ以下、搬送時間は例えば３０秒以内とすることができる。また、前記のような非酸化性雰囲気とする代わりに水素ガスで置換する等、還元性雰囲気とすることもできる。
【００８６】
Ａｌスパッタ成膜室７ではウェハ１０をウェハステージ１１に搭載した後、ウェハ保持機構１１ｇである静電チャックに電圧を印加し、ウェハ１０をウェハステージ１１に静電吸着する。
【００８７】
次に、ウェハステージ１１の温調用ガス吹き出し口１１ｈからアルゴンガスを導入する。この時のウェハ１０とウェハステージ１１との間の空隙部でのアルゴンガスの圧力は、例えば１ｔｏｒｒ以上とすることができる。ここでウェハステージ１１は、抵抗加熱ヒータ１１ｅ、熱電対１１ｆ、冷却水１１ｄの併用により、例えば４２０℃程度に温度を調整し保持することが可能となっている。したがってアルゴンガスによる熱伝達の作用を利用し、例えばガス導入後６０秒以降のウェハ１０の温度を、例えば４００℃に保つことができる。
【００８８】
ウェハ１０の温度が所望の温度である４００℃に達した後、例えばウェハ１０の直径の１／４程度の間隔をあけてウェハ１０と対向に配置したＡｌターゲット７ａに電力を印加し、Ａｌのスパッタリングを開始する。ここで、成膜条件は、例えば、圧力を1.５ｔｏｒｒ、電力密度を１４Ｗ／ｃｍ²、成膜速度を２００ｎｍ／ｍｉｎ、成膜量を４００ｎｍとすることができる。ウェハ１０に達したＡｌ等のターゲット粒子（クラスタ）はウェハ１０上に堆積しＡｌ膜１７となるが、ウェハ１０の温度が高いため、Ａｌ等のターゲット構成原子の泳動や粒成長が加速され、その結果開孔１４内部に流動性を持ったＡｌ粒子が引きずりこまれ、図８に示すように開孔１４内部を埋め込むことができる。
【００８９】
なお、比較のため、一般的な成膜装置で堆積した場合のＡｌ膜の開孔１４の埋込の状況を図１０に示す。
【００９０】
その後、ウェハ１０を真空搬送室１を介してＡｌスパッタ成膜室７からロードロック室２に移動する。ロードロック室２を大気開放してウェハ１０を取り出し、本実施の形態の工程は終了する。
【００９１】
上記した本実施の形態の半導体集積回路装置およびその製造方法によれば、以下のような効果が得られる。
【００９２】
（１）ウェハ１０を０℃に保持しつつＴｉおよびＡｌをスパッタ成膜するため、ウェハ１０の表面の薄膜が堆積される被形成表面でのそれらスパッタ粒子（クラスタ）の泳動が抑制され、表面被覆率が高く、表面平坦性に優れたスパッタ薄膜を形成することができる。
【００９３】
（２）ウェハ１０を０℃に保持しつつＴｉおよびＡｌをスパッタ成膜した後に、ウェハ１０を４００℃程度の温度に保持した状態でＡｌスパッタ薄膜を形成するため、開孔１４の埋込を行うことができる。
【００９４】
（３）ウェハ１０の移動に際して、真空搬送室１およびＡｌスパッタ成膜室７の真空度と搬送時間を、搬送中に基板表面に入射する水や酸素などの不純物がＡｌ膜１６の表面を被覆してしまわないよう非酸化性雰囲気になるよう制御するため、Ａｌ膜１６の表面を酸化することがない。
【００９５】
（４）配線を構成するＴｉ膜１５およびＡｌ膜１６が、基板を室温以下の温度に保持した状態でスパッタ成膜されたものであるため、開孔１４内のＴｉ膜１５およびＡｌ膜１６の表面被覆率が高く、表面平坦性にも優れたものとなる。このため、半導体集積回路装置の信頼性および製造歩留まりを高くすることができる。
【００９６】
（５）配線を構成するＡｌ膜１７が、基板を４００℃程度の高い温度に保持した状態でスパッタ成膜されたものであるため、Ａｌ膜１７の導電率は十分高く、半導体集積回路装置の基本的な性能を発揮することができる。
【００９７】
なお、Ａｌ膜１７を高温スパッタ成膜した後、１００気圧以上の高い圧力、たとえば４００〜５００気圧の下に保持してもよい。その場合、開孔１４に存在するボイドを前記圧力により押しつぶし、ボイドを消滅させることができる。このとき、低温スパッタによるＴｉ膜１５およびＡｌ膜１６の存在は、圧力および温度の条件を緩和し、より低い圧力より低い温度でボイドを消滅させることが可能となるという効果に寄与する。
【００９８】
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【００９９】
たとえば、上記実施の形態では、低温スパッタ膜としてＴｉ膜１５およびＡｌ膜１６を例示したが、Ｔｉ膜１５の代わりにＴｉＮ膜、Ｔｉ／ＴｉＮ積層膜あるいはＷ膜であってもよい。この場合、前記薄膜は低温スパッタ膜であることを要する。また、Ｔｉ膜１５は無くてもよい。この場合、低温スパッタＡｌ膜１６は必要である。
【０１００】
また、上記実施の形態では、高温スパッタによるＡｌ膜１７によって、開孔１４を埋め込む例を説明したが、ＣＶＤ法を用いたＷ膜、ハイドープポリシリコン膜によって開孔１４を埋め込んでもよい。
【０１０１】
上記低温スパッタ膜と開孔１４の埋込膜との組合せは、任意の組合せでよいことはいうまでもない。
【０１０２】
また、Ａｌ膜１６，１７は、Ａｌ合金をターゲットとするＡｌ合金膜であってもよい。
【０１０３】
以上の説明では、主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野である半導体集積回路装置とその製造方法に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、たとえば、一般の薄膜の形成全般にも適用することが可能である。
【０１０４】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【０１０５】
（１）基板を冷却することが可能となり、表面被覆率が高く、表面平坦性に優れたスパッタ膜を得ることができる。
【０１０６】
（２）０℃以下においても凝固しない冷媒を利用するため、基板を室温以下の温度に保持することができ、より表面被覆率が高く、表面平坦性に優れたスパッタ膜を形成することができる。
【０１０７】
（３）冷媒を用いるため、装置の構造を簡略化することができ、保守等が容易になることに加え、高周波プラズマ等を生成する場合であっても、そのプラズマ発生用の電界に影響されることなく温度制御が可能になる。
【０１０８】
（４）基板を加熱することができるので、従来同様、導電率の高い金属スパッタ膜を得ることができる。
【０１０９】
（５）低温にてスパッタ膜を形成した後、高温にてスパッタ膜を形成することができるため、開孔の埋込の際にボイドを形成しない良好な埋込膜を形成することができる。
【０１１０】
（６）１００気圧以上の加圧機構を備えるため、開孔等に堆積した埋込膜にボイドを有する場合であっても、この圧力の力学的な作用により、ボイドを消滅させることが可能となる。
【０１１１】
（７）基板の移動に際して、非酸化性雰囲気になるよう制御するため、スパッタ膜が酸化されることを抑制することができる。
【０１１２】
（８）表面被覆率が高く、表面平坦性にも優れたスパッタ膜により開孔の接続が行われるので、半導体集積回路装置の信頼性を高くすることができる。また、半導体集積回路装置の製造プロセスの安定性が向上し、半導体集積回路装置の良品率が向上する。さらに、開孔の埋込みに際して、従来法に比べ1.５倍程度のアスペクト比の高い開孔の埋込みが達成でき、従来と同様のアスペクト比の開孔の埋込みに適用して、製造歩留まりを約２倍向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である薄膜形成装置の成膜室の一例を示した側面断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態である薄膜形成装置の成膜室の別の一例を示した側面断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態である薄膜形成装置の一例を示した上面図である。
【図４】本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の一例を示した断面図である。
【図５】本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造工程の一例を示した要部断面図である。
【図６】図５における開孔部分の製造工程の一例を示した要部断面図である。
【図７】図５における開孔部分の製造工程の一例を示した要部断面図である。
【図８】図５における開孔部分の製造工程の一例を示した要部断面図である。
【図９】開孔部分を一般的な高温薄膜形成装置を用いて製造した場合の高温スパッタ膜の一例を示した要部断面図である。
【図１０】開孔部分を一般的な高温薄膜形成装置を用いて製造した場合の高温スパッタ膜の一例を示した要部断面図である。
【符号の説明】
１真空搬送室
１ａロボットアーム
１ｂゲートバルブ
２ロードロック室
３前処理加熱室
４前処理スパッタエッチ室
５Ｔｉスパッタ成膜室
５ａＴｉターゲット
６Ａｌスパッタ成膜室
６ａＡｌターゲット
７Ａｌスパッタ成膜室
７ａＡｌターゲット
８ウェハステージ
８ａ流路
８ｂ冷媒温度調節器
８ｃ断熱材
８ｄ冷媒
８ｅ抵抗加熱ヒータ
８ｆ熱電対
８ｇウェハ保持機構
８ｈ冷却ガス吹き出し口
１０ウェハ
１０ａ絶縁膜
１１ウェハステージ
１１ａ流路
１１ｂ冷却水温度調節器
１１ｄ冷却水
１１ｅ抵抗加熱ヒータ
１１ｆ熱電対
１１ｇウェハ保持機構
１１ｈ温調用ガス吹き出し口
１２金属膜
１３層間絶縁膜
１４開孔
１５Ｔｉ膜
１６，１７Ａｌ膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thin film forming apparatus, a thin film forming method, and a semiconductor integrated circuit device, and in particular, a technology effective when applied to the manufacture of a high-performance semiconductor integrated circuit device having high aspect ratio contact holes, via holes, and the like. It is about.
[0002]
[Prior art]
A conductive film such as a metal film used in a semiconductor integrated circuit device is usually formed using a PVD (Physical Vapor Deposition) method such as sputtering.
[0003]
In general, a sputtering method applies a direct current or an alternating electric field between two electrodes, which are an anode and a cathode placed opposite to each other, and a target material placed on the cathode by the action of plasma generated between both electrodes. Is sputtered, and the sputtered material is volumetrically placed on a substrate placed on the anode.
[0004]
In general, the electrode structure is a parallel plate, but there is a case in which a magnetron plasma is generated by arranging a magnet on the back surface of the cathode for the purpose of improving plasma density.
[0005]
As the target material, a material that is stoichiometrically identical to the material composition of the thin film to be formed is generally selected, but the material composition of the thin film to be formed is targeted by utilizing the reactivity of the gas constituting the plasma. In some cases, reactive sputtering is performed by changing the composition of the material.
[0006]
As described in July 25, 1983, published by the Industrial Research Council, “Latest LSI Process Technology”, p246, the anode on which the substrate is installed is heated, and deposition of the thin film is performed at ambient temperature. Generally, it is performed in a state where the height is higher.
[0007]
By the way, this inventor examined the reason for heating a board | substrate. The following is not a publicly known technique, but is a technique studied by the inventor, and its outline is as follows.
[0008]
That is, in the film forming mechanism of the thin film to be formed, the distance that the cluster material migrates on the thin film forming surface after the material sputtered from the target (referred to as cluster material) is transported to the substrate surface Depending on the temperature of the formation surface, the higher the temperature, the longer the migration distance. As the migration distance is longer, defects in the formed thin film are reduced, and the conductivity is improved in terms of characteristics. When this sputtered thin film is used as wiring, the conductivity of the thin film is an important characteristic evaluation item. The substrate may be heated directly by infrared rays or the like in addition to the deconducting heating from the anode.
[0009]
Therefore, in a thin film forming apparatus using a sputtering method, a heater for heating is provided on an anode which is also a substrate holder. Although there may be a cooling water circulation mechanism in addition to the heater for heating, the role of the cooling water here is for the purpose of adjusting the amount of heat input by the heater. This ensures the controllability of the substrate temperature in a high temperature range.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, as the degree of integration of the semiconductor integrated circuit device is improved, the step coverage is a problem. That is, as the integration degree is improved, the aspect ratio of the holes and the like is increased, which causes a problem that the coverage of the thin film on the bottom surface or side surface of the holes is lowered.
[0011]
The above problem can be understood as follows by the study of the present inventors. That is, in the conventional thin film forming apparatus that performs substrate heating, the thin film forming surface of the substrate surface is in a state in which clusters can sufficiently migrate as described in the section of the prior art. The increase in the migration distance of the clusters results in an increase in the probability of association (collision) with other clusters on the thin film formation surface. If this association occurs, the clusters of each other are bonded with a considerable probability, and grow into crystal grains with a decrease in surface free energy. If this crystal grain size is sufficiently small compared to the film thickness of the thin film to be formed, there is no problem, but a thin film formed on the bottom or side of the hole as the hole becomes finer and the aspect ratio becomes higher. When the film thickness of the thin film is reduced, particularly when the thin film formed in the opening is used as a lower layer, the required film thickness is as thin as 50 to 200 mm, and several tens of clusters (elements of several atoms) A crystal grain having a thickness corresponding to the film thickness grows by the association of one cluster). Such growth of crystal grains causes island-like growth in which the substrate surface is not covered with the sputtered substance, that is, lowering of the substrate surface coverage or deterioration of surface flatness.
[0012]
Such a decrease in the substrate surface coverage or the deterioration in the surface flatness causes a problem that it adversely affects the subsequent manufacturing process and at the same time decreases the manufacturing yield of the semiconductor integrated circuit device.
[0013]
An object of the present invention is to provide a thin film forming apparatus capable of realizing a high surface coverage and good surface flatness even in a thin sputtered thin film.
[0014]
Another object of the present invention is to provide a method for producing a thin sputtered thin film having a high surface coverage and good surface flatness.
[0015]
Still another object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit device having a high reliability and a high manufacturing yield and a manufacturing method thereof using a sputtered thin film having a high surface coverage and a good surface flatness. .
[0016]
The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
[0018]
(1) The thin film forming apparatus of the present invention includes one or more vacuum containers capable of maintaining the internal pressure at a pressure lower than atmospheric pressure, an exhaust means for exhausting the gas in the vacuum container, and a vacuum container A gas supply means for supplying a gas at a constant flow rate to at least one vacuum container, a pressure adjusting means for exhausting the gas and maintaining the pressure in the one vacuum container at a predetermined pressure, and all or part of the gas A plasma generating means capable of turning into a plasma state, a target having a material mainly composed of a substance that is in contact with the plasma and serving as a raw material for the thin film, and a source material sputtered from the target by the action of the plasma A thin film forming apparatus including a substrate holder that holds a substrate deposited on the surface thereof, and the substrate holder includes a cooling mechanism that cools the substrate.
[0019]
According to such a thin film forming apparatus, since the substrate holder is provided with the cooling mechanism, the substrate can be cooled, and the migration distance of the clusters on the thin film forming surface can be reduced. For this reason, the growth of crystal grains on the surface to be formed is suppressed, the surface coverage of the substrate is increased, and the surface flatness is also improved. As a result, the reliability of the semiconductor integrated circuit device manufactured using this thin film forming apparatus is improved, and the manufacturing yield is also improved.
[0020]
The cooling mechanism may be electronic cooling using a Peltier element or the like in addition to a mechanism for cooling the substrate holder with a refrigerant.
[0021]
In addition, the plasma generating means in the thin film forming apparatus of the present invention includes high-density plasma such as magnetron plasma, ECR plasma (Electron Cyclotron Resonance Plasma), and helicon wave plasma in addition to general plasma generating means using parallel plate electrodes. Can also be used.
[0022]
(2) The thin film forming apparatus of the present invention is the thin film forming apparatus according to (1) described above, and the cooling mechanism has a mechanism for cooling the substrate holder using a refrigerant that does not solidify even at 0 ° C. or lower. It can hold the substrate at a temperature below room temperature.
[0023]
According to such a thin film forming apparatus, since the cooling mechanism uses a refrigerant that does not solidify even at 0 ° C. or lower, the substrate can be held at a temperature lower than room temperature, and the surface coverage is higher. A thin film having excellent flatness can be formed.
[0024]
In addition, according to such a thin film forming apparatus, since the refrigerant is used, the structure of the apparatus can be simplified, and in addition to facilitating maintenance and the like, even when generating high-frequency plasma or the like, This has the advantage that the temperature can be controlled without being affected by the electric field for plasma generation.
[0025]
(3) The thin film forming apparatus according to the present invention is the thin film forming apparatus according to the above (1) or (2), wherein at least one vacuum vessel includes a substrate heating means for heating the substrate. is there.
[0026]
According to such a thin film forming apparatus, since the substrate heating means capable of heating the substrate is provided in a vacuum vessel having a substrate holder capable of cooling the substrate or other vacuum vessel, it adheres to the substrate before the thin film deposition. Residual gas or moisture can be effectively removed. In addition, after the sputter film formation in a state where the substrate is cooled, the thin film can be deposited in the same vacuum vessel or in a state where the substrate is heated in another vacuum vessel.
[0027]
(4) The thin film forming apparatus according to the present invention is the thin film forming apparatus according to any one of (1) to (3) described above, wherein at least one vacuum vessel is pressurized to an atmospheric pressure or higher. It can be held in a state.
[0028]
According to such a thin film forming apparatus, a vacuum vessel or other vacuum vessel having a substrate holder capable of cooling the substrate can hold the pressure in the vacuum vessel in a pressurized state at atmospheric pressure or higher. Even when the thin film deposited on the opening or the like has a void, the void can be embedded by the dynamic action of the pressure.
[0029]
(5) The thin film forming method of the present invention is a thin film forming method for forming a thin film on a substrate using the thin film forming apparatus described in (1) to (4) above, and the substrate is kept at a temperature of room temperature or lower. In this state, a process of sputtering a source material from a target by the action of plasma and depositing a thin film on a substrate is included.
[0030]
According to such a thin film forming method, since the substrate is kept at room temperature or lower, migration of clusters on the surface on which the thin film on the substrate surface is deposited is suppressed, surface coverage is high, and surface flatness is excellent. A sputtered thin film can be formed.
[0031]
(6) The thin film forming method of the present invention is a thin film forming method for forming a thin film on a substrate using the thin film forming apparatus described in (3) or (4) above, and the substrate is kept at a temperature of room temperature or lower. In this state, a source material is sputtered from the target by the action of plasma and a thin film is deposited on the substrate. Thereafter, the source material is removed from the target by the action of plasma in a state where the substrate is kept at a temperature of 100 ° C. or higher. And a second step of depositing a thin film on the substrate.
[0032]
According to such a thin film forming method, after forming the sputtered thin film with the substrate held at room temperature or lower, the thin film is formed with the substrate held at a temperature of 100 ° C. or higher. In addition to the effect of (5), Opening with a high aspect ratio can be easily filled. That is, since the temperature of the substrate is high, migration of clusters and grain growth are promoted, and as a result, fluid clusters are dragged into the openings and the openings can be embedded.
[0033]
(7) The thin film forming method of the present invention is a thin film forming method for forming a thin film on a substrate using the thin film forming apparatus according to (4) described above, and the substrate is held at a temperature of room temperature or lower. A first step of sputtering a source material from a target by the action of plasma and depositing a thin film on the substrate, and then sputtering the source material from the target by the action of plasma while maintaining the substrate at a temperature of 100 ° C. or higher. A second step of depositing a thin film on the substrate, and then a third step of maintaining the substrate in a pressurized state of atmospheric pressure or higher.
[0034]
According to such a thin film forming method, after forming a sputtered thin film in which the substrate is held at room temperature or lower, the thin film is formed in a state where the substrate is held at a temperature of 100 ° C. or higher, and then the substrate is held in a pressurized state. Therefore, in addition to the effects (5) and (6), even if a void is formed in the opening as a result of the thin film formation in the second step, the void is crushed by the physical pressure due to the pressurized state, It can be lost. The pressurizing pressure is 100 atm or more, preferably 400 to 500 atm. It is also effective to heat the substrate at the same time in this pressing step. In addition, it is possible to perform hole filling by the second and third steps without going through the first step. However, the presence of the first step makes it possible to cover the surface of the thin film in the hole. Since the rate and the surface flatness are improved, the pressure and temperature conditions in the third step can be relaxed, and the void can be eliminated at a lower pressure and a lower temperature.
[0035]
(8) The thin film forming method of the present invention is the thin film forming method according to the above (6) or (7), wherein the first step to the second step, or the second step to the third step. When shifting to (1), the substrate is placed in a non-oxidizing or reducing atmosphere.
[0036]
According to such a thin film formation method, sufficient surface migration of clusters can be realized during the thin film deposition of the next process without oxidizing the surface of the thin film formed immediately before the pause or movement between the processes. The openings can be embedded without voids.
It should be noted that the non-oxidizing atmosphere includes a case of being exposed to a high vacuum state for a short time of several minutes or less. In such a case, it is difficult to oxidize the surface of the thin film.
[0037]
(9) A semiconductor integrated circuit device according to the present invention includes a semiconductor element having a semiconductor element on a main surface of a substrate and having a wiring in contact with the semiconductor element or a lower layer wiring through an opening provided in an insulating layer covering the semiconductor element. In the circuit device, the wiring includes a first conductive layer deposited on the substrate by sputtering of the source material from the target by the action of plasma while the substrate is kept at a temperature of room temperature or lower, and the substrate is heated to 100 ° C. And a second conductive layer deposited on the substrate by sputtering of the source material from the target by the action of plasma in the state maintained at the above temperature.
[0038]
According to such a semiconductor integrated circuit device, the first layer constituting the wiring is manufactured by sputtering the source material from the target by the action of plasma while the substrate is kept at a temperature below room temperature. For this reason, the surface coverage of the first layer in the opening is high, and the surface flatness is excellent. For this reason, the reliability and manufacturing yield of the semiconductor integrated circuit device can be increased.
[0039]
Further, since the second layer of the wiring is deposited on the substrate by sputtering of the raw material from the target by the action of the plasma while the substrate is kept at a temperature of 100 ° C. or higher, The conductivity is sufficiently high and the basic performance of the semiconductor integrated circuit device can be exhibited.
[0040]
Note that the semiconductor integrated circuit device may be manufactured while being held under a high pressure of 100 atm or higher. In that case, the existence probability of voids in the opening is lowered, and the reliability and manufacturing yield are improved.
[0041]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0042]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a side sectional view showing an example of a film forming chamber of a thin film forming apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a film forming of a thin film forming apparatus according to an embodiment of the present invention. It is side surface sectional drawing which showed another example of the chamber. FIG. 3 is a top view showing an example of a thin film forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
[0043]
The thin film forming apparatus according to the present embodiment is a metal film forming apparatus for a wafer process used for manufacturing a semiconductor integrated circuit device as shown in FIG. 3, and is a load lock chamber that is a vacuum container with a vacuum transfer chamber 1 as a center. 2 is a multi-chamber film forming apparatus having a pretreatment heating chamber 3, a pretreatment sputter etch chamber 4, a Ti sputter film formation chamber 5, a first Al sputter film formation chamber 6, and a second Al sputter film formation chamber 7. .
[0044]
The vacuum transfer chamber 1 has a robot arm 1a, and the robot arm 1a can be used to transfer a substrate.
[0045]
The load lock chamber 2, the pretreatment heating chamber 3, the pretreatment sputter etch chamber 4, the Ti sputter film formation chamber 5, the first Al sputter film formation chamber 6 and the second Al sputter film formation chamber 7 are provided with a gate valve 1b. Each of which is connected to the vacuum transfer chamber 1 and is capable of exhausting residual gas and maintaining a high vacuum state, and a gas supply system capable of supplying process gas corresponding to each process at a constant flow rate. And a pressure adjusting system capable of keeping the pressure of the supplied gas constant.
[0046]
Similarly, the vacuum transfer chamber 1 can be provided with an exhaust mechanism.
[0047]
The load lock chamber 2 is a processing chamber for loading and unloading the wafer 10 that is a substrate. Usually, a plurality of wafers 10 are set in a cassette, and processing is performed in units of cassettes.
[0048]
The pretreatment heating chamber 3 can perform the heat treatment by loading the wafer 10 from the load chamber by the robot arm 1a. Thereby, the gas or water vapor adsorbed on the surface of the wafer 10 can be removed. Further, by providing the pretreatment heating chamber 3 independently from each treatment chamber, it is possible to perform heat treatment that generally requires treatment time in advance, and it is possible to improve throughput by shortening the total tact time. The pretreatment heating chamber 3 is provided with a holder for the wafer 10 provided with a resistance heater or an infrared heater that can uniformly irradiate the wafer 10.
[0049]
The pretreatment sputter etch chamber 4 can remove water molecules of several molecular layers that cannot be removed by the heat treatment in the pretreatment heating chamber 3 by the action of sputter ions. Further, the thin natural oxide film on the thin film forming surface on the surface of the wafer 10 can be removed by the action of sputter ions. The pretreatment sputter etch chamber 4 includes parallel plate electrodes, and the wafer 10 is preferably installed on the cathode side of the electrodes.
[0050]
As shown in FIG. 1, the Ti sputter deposition chamber 5 has a Ti target 5a and a coolable wafer stage 8.
[0051]
A flow path 8a for introducing a refrigerant is formed inside the wafer stage 8, and the flow path 8a is connected to a refrigerant temperature controller 8b. Further, outside the sputter film forming chamber, the flow path 8a is thermally shielded from the atmosphere by the heat insulating material 8c to prevent dew condensation. A refrigerant 8d such as florinate can be circulated through the flow path 8a, and the temperature of the wafer stage 8 can be lowered to, for example, about −20 ° C. by heat exchange using the refrigerant temperature controller 8b. . Further, a resistance heater 8e and a thermocouple 8f are installed on the wafer stage 8, and the temperature can be adjusted and maintained at, for example, about −10 ° C. in combination with a refrigerant.
[0052]
On the other hand, a wafer holding mechanism 8g such as an electrostatic chuck is provided on the surface of the wafer stage 8 alone or together with a cooling gas outlet 8h, and a wafer holding mechanism 8g is provided between the wafer 10 and the wafer stage 8. Thus, the temperature difference between the wafer 10 and the wafer stage 8 can be reduced.
[0053]
A pipe connected to the cooling gas outlet 8h is connected to a gas supply system (not shown). Further, the Ti target 5a is held in a state of being electrically insulated from the Ti sputter film forming chamber 5, and is connected to a power source (not shown). An electric field of direct current or alternating current is applied to the Ti target 5a to generate plasma. At this time, the wafer stage 8 is grounded, and the Ti target 5a and the wafer stage 8 constitute parallel plate electrodes facing each other.
[0054]
The first Al sputter deposition chamber 6 has an Al target 6a and a coolable wafer stage 8. Since the wafer stage 8 and other electrode structures are the same as in the case of the Ti sputter deposition chamber 5, description thereof will be omitted.
[0055]
The second Al sputter film forming chamber 7 has an Al target 7a and a heatable wafer stage 11 as shown in FIG.
[0056]
A flow path 11a for introducing cooling water is formed inside the wafer stage 11, and the flow path 11a is connected to a cooling water temperature controller 11b. Further, a resistance heater 11e and a thermocouple 11f are installed on the wafer stage 11, and the temperature can be adjusted and maintained at, for example, about 400 ° C. by using it together with cooling water.
[0057]
On the other hand, a wafer holding mechanism 11g such as an electrostatic chuck is provided on the surface of the wafer stage 11 alone or together with a temperature adjusting gas outlet 11h. Thus, the temperature difference between the wafer 10 and the wafer stage 11 can be reduced.
[0058]
The gas supply system and the electrode structure are the same as in the case of the Ti sputter film forming chamber 5, and thus the description thereof is omitted.
[0059]
Here, the flow path 11a for introducing cooling water is provided inside the wafer stage 11 and used for controlling the temperature of the wafer 10, but this may or may not be used.
[0060]
According to the thin film forming apparatus of the present embodiment described above, the following effects are obtained.
[0061]
(1) The wafer stage 8 can be cooled, and a sputtered Ti or Al film having a high surface coverage and excellent surface flatness can be obtained.
[0062]
(2) Since fluorinate that does not solidify at 0 ° C. or lower is used as the refrigerant 8d, the wafer 10 can be maintained at a temperature below room temperature, Ti or Al having a higher surface coverage and excellent surface flatness. A sputtered film can be formed.
[0063]
(3) Since the refrigerant 8d is used, the structure of the apparatus can be simplified, and maintenance and the like are facilitated. In addition, even when high-frequency plasma is generated, the electric field for generating the plasma is affected. Temperature control is possible without being performed.
[0064]
(4) Since the wafer stage 11 can be heated, an Al sputtered film having a high conductivity can be obtained as in the prior art.
[0065]
(5) Since the multi-chamber method is adopted, it is possible to form the Al sputtered film at a high temperature after forming the Ti and Al sputtered film at a low temperature. As a result, it is possible to form a satisfactory buried film that does not form voids when the openings are filled with Al.
[0066]
(6) Since the load lock chamber 2 is provided, the tact time per wafer 10 can be shortened and the throughput can be improved.
[0067]
(7) Since the pretreatment heating chamber 3 is provided, the gas or water vapor adsorbed on the surface of the wafer 10 can be removed. Further, the throughput can be improved by shortening the total tact time.
[0068]
(8) Since the pretreatment sputter etch chamber 4 is provided, water molecules of several molecular layers that cannot be removed by the heat treatment in the pretreatment heating chamber 3 can be removed by the action of sputter ions. Further, the thin natural oxide film on the thin film forming surface on the surface of the wafer 10 can be removed by the action of sputter ions.
[0069]
Note that the second Al sputter film forming chamber 7 may be provided with a pressurizing mechanism of 100 atm or more, for example, 500 to 700 atm. At this time, when heating the wafer 10 at the same time, it is desirable to provide a heating mechanism capable of maintaining the temperature of the wafer 10 at 400 to 500 ° C.
[0070]
In such a case, even if the Al sputtered thin film deposited in the opening or the like has a void, the void can be embedded by the dynamic action of this pressure.
[0071]
In the present embodiment, an example of a thin film forming apparatus that can form a sputtered film of Ti and Al at a low temperature and can form an Al sputtered film at a high temperature has been described. However, instead of Ti, a laminated film of TiN or Ti / TiN It may be a device capable of forming In this case, it can be realized by changing the target according to the target substance. Moreover, the apparatus which can form a CVD-W thin film instead of a high temperature Al sputtered film may be used.
[0072]
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a sectional view showing an example of a semiconductor integrated circuit device according to an embodiment of the present invention.
[0073]
A semiconductor integrated circuit element (not shown) is formed on the main surface of the wafer 10, and the semiconductor integrated circuit element is connected to the metal film 12 that is the first wiring layer via an insulating film 10a. The metal film 12 is connected to the second wiring layer through the opening 14 drilled in the interlayer insulating film 13. The second wiring layer is composed of a Ti film 15, an Al film 16 formed by low-temperature sputtering film formation, and an Al film 17 formed by high-temperature sputtering film formation.
[0074]
Next, a method for manufacturing the semiconductor integrated circuit device will be described with reference to FIGS. The manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device according to the present embodiment uses the thin film forming apparatus described in the first embodiment.
[0075]
FIG. 5 is a fragmentary sectional view showing an example of the manufacturing process of the semiconductor integrated circuit device according to the embodiment of the present invention. 6-8 is principal part sectional drawing which showed an example of the manufacturing process of the opening 14 part in FIG.
[0076]
A semiconductor integrated circuit element is formed on the main surface of the wafer 10 using a known method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device, and an insulating film 10a and a metal film 12 as a first wiring layer are formed. Well-known lithography technology and etching technology can be used for the opening formed in the insulating film 10a for connecting the semiconductor integrated circuit element and the metal film 12, and the patterning of the metal film 12. Thereafter, an interlayer insulating film 13 is formed, and an opening 14 reaching the metal film 12 of the first wiring layer is drilled therein (FIG. 5).
[0077]
Next, the wafer 10 is introduced into the load lock chamber 2 of the thin film forming apparatus described in the first embodiment, and the pressure is reduced to a vacuum by an exhaust mechanism.
[0078]
Next, the wafer 10 is moved from the load lock chamber 2 to the pretreatment heating chamber 3 through the vacuum transfer chamber 1. In the pretreatment heating chamber 3, the wafer 10 is heated to, for example, 400 ° C., thereby removing moisture and gas molecules adsorbed on the surface of the wafer 10.
[0079]
Next, the wafer 10 is moved from the pretreatment heating chamber 3 to the pretreatment sputter etch chamber 4 through the vacuum transfer chamber 1. In the pretreatment sputter etch chamber, argon is introduced and an RF electric field is applied to generate plasma, and the wafer 10 is sputter etched under a bias of, for example, about -200V. Thereby, the natural oxide film formed on the surface of the metal film 12 exposed on the bottom surface of the opening 14 can be removed.
[0080]
Next, the wafer 10 is moved to the Ti sputtering film forming chamber 5 through the vacuum transfer chamber 1. In the Ti sputter deposition chamber 5, after the wafer 10 is mounted on the wafer stage 8, a voltage is applied to the electrostatic chuck which is the wafer holding mechanism 8 g, and the wafer 10 is electrostatically attracted to the wafer stage 8.
[0081]
Next, argon gas is introduced from the cooling gas outlet 8 h of the wafer stage 8. At this time, the pressure of the argon gas in the gap between the wafer 10 and the wafer stage 8 can be set to 1 torr or more, for example. Here, the wafer stage 8 can adjust the temperature to, for example, about −10 ° C. and hold it by heat exchange using the refrigerant temperature controller 8b and the combined use of the resistance heater 8e and the thermocouple 8f. Therefore, it is possible to keep the temperature of the wafer 10 at, for example, 60 ° C. after the introduction of the gas at, for example, 0 ° C. by utilizing the heat transfer action by the argon gas.
[0082]
Next, after the temperature of the wafer 10 reaches 0 ° C., which is a desired temperature, for example, power is applied to the Ti target 5a disposed opposite to the wafer 10 with an interval of about the diameter of the wafer 10 and Ti sputtering is performed. To start. Here, the film forming conditions are, for example, a pressure of 0.5 torr and a power density of 14 W / cm. ² The film formation rate can be 200 nm / min and the film formation amount can be 200 nm. Ti particles (clusters) that have reached the wafer 10 are deposited on the wafer 10 to form a Ti film 15. However, since the interval between the Ti target 5 a and the wafer 10 is wide, the incident direction of the Ti particles to the wafer 10 is perpendicular to the wafer 10. In addition to being biased in the direction, since the temperature of the wafer 10 is low, migration and grain growth of Ti particles are suppressed, and good step coverage is exhibited inside the aperture 14 as shown in FIG.
[0083]
Next, the wafer 10 is moved to the Al sputtering film forming chamber 6 through the vacuum transfer chamber 1. In the Al sputter deposition chamber 6, after the wafer 10 is mounted on the wafer stage 8, a voltage is applied to a wafer holding mechanism 8 g such as an electrostatic chuck, and the wafer 10 is electrostatically attracted to the wafer stage 8.
[0084]
Next, argon gas is introduced from the cooling gas outlet 8 h of the wafer stage 8. At this time, the pressure of the argon gas in the gap between the wafer 10 and the wafer stage 8 can be set to 1 torr or more, for example. Here, the wafer stage 8 can adjust the temperature to, for example, about −10 ° C. and hold it by heat exchange using the refrigerant temperature controller 8b and the combined use of the resistance heater 8e and the thermocouple 8f. Therefore, it is possible to keep the temperature of the wafer 10 at, for example, 60 ° C. after the introduction of the gas at, for example, 0 ° C. by utilizing the heat transfer action by the argon gas. After the temperature of the wafer 10 reaches 0 ° C., which is a desired temperature, for example, electric power is applied to the Al target 6a disposed opposite to the wafer 10 with an interval of about the diameter of the wafer 10 to start sputtering of Al. . Here, the film forming conditions are, for example, a pressure of 0.5 torr and a power density of 14 W / cm. ² The film formation rate can be 200 nm / min and the film formation amount can be 400 nm. Target particles (clusters) such as Al that have reached the wafer 10 are deposited on the wafer 10 to form the Al film 16, but since the distance between the Al target 6a and the wafer 10 is wide, particles such as Al are transferred to the wafer 10. In addition to the fact that the incident direction of the light is biased in the direction perpendicular to the wafer 10, the temperature of the wafer 10 is low, so that migration and growth of target particles such as Al are suppressed, and as shown in FIG. Shows good step coverage inside. For comparison, FIG. 9 shows the step coverage of the high-temperature sputtered Al film when deposited by a general high-temperature film forming apparatus.
[0085]
Next, the wafer 10 is moved to the Al sputtering film forming chamber 7 through the vacuum transfer chamber 1. At this time, the degree of vacuum and the transfer time in the vacuum transfer chamber 1 and the Al sputter film formation chamber 7 are determined so that impurities such as water and oxygen incident on the substrate surface during transfer do not cover the Al film surface. Can be controlled. As a specific numerical value in this embodiment, the degree of vacuum is, for example, 1 × 10. ^-7 Below torr, the conveyance time can be, for example, within 30 seconds. Further, instead of the non-oxidizing atmosphere as described above, a reducing atmosphere such as replacement with hydrogen gas can be used.
[0086]
In the Al sputter deposition chamber 7, after the wafer 10 is mounted on the wafer stage 11, a voltage is applied to the electrostatic chuck which is the wafer holding mechanism 11 g, and the wafer 10 is electrostatically attracted to the wafer stage 11.
[0087]
Next, argon gas is introduced from the temperature adjustment gas blowout port 11 h of the wafer stage 11. At this time, the pressure of the argon gas in the gap between the wafer 10 and the wafer stage 11 can be set to 1 torr or more, for example. Here, the wafer stage 11 can adjust and hold the temperature at, for example, about 420 ° C. by using the resistance heater 11e, the thermocouple 11f, and the cooling water 11d. Therefore, the temperature of the wafer 10 after, for example, 60 seconds after the introduction of the gas can be maintained at, for example, 400 ° C. by utilizing the heat transfer action by the argon gas.
[0088]
After the temperature of the wafer 10 reaches 400 ° C., which is a desired temperature, for example, power is applied to the Al target 7a disposed opposite to the wafer 10 with an interval of about ¼ of the diameter of the wafer 10, and Al Start sputtering. Here, the film forming conditions are, for example, a pressure of 1.5 torr and a power density of 14 W / cm. ² The film formation rate can be 200 nm / min and the film formation amount can be 400 nm. Target particles (clusters) such as Al that have reached the wafer 10 are deposited on the wafer 10 to become the Al film 17, but since the temperature of the wafer 10 is high, migration of target constituent atoms such as Al and grain growth are accelerated, As a result, Al particles having fluidity are dragged into the inside of the opening 14, and the inside of the opening 14 can be embedded as shown in FIG.
[0089]
For comparison, FIG. 10 shows a state where the Al film opening 14 is embedded when the film is deposited by a general film forming apparatus.
[0090]
Thereafter, the wafer 10 is moved from the Al sputtering film forming chamber 7 to the load lock chamber 2 through the vacuum transfer chamber 1. The load lock chamber 2 is opened to the atmosphere and the wafer 10 is taken out, and the process of this embodiment is completed.
[0091]
According to the semiconductor integrated circuit device and the manufacturing method thereof of the present embodiment described above, the following effects can be obtained.
[0092]
(1) Since Ti and Al are sputtered while holding the wafer 10 at 0 ° C., migration of the sputtered particles (clusters) on the surface on which the thin film on the surface of the wafer 10 is deposited is suppressed, and the surface A sputtered thin film having a high coverage and excellent surface flatness can be formed.
[0093]
(2) After forming Ti and Al by sputtering while holding the wafer 10 at 0 ° C., an Al sputtered thin film is formed with the wafer 10 held at a temperature of about 400 ° C. It can be carried out.
[0094]
(3) When the wafer 10 is moved, the vacuum degree and the transfer time of the vacuum transfer chamber 1 and the Al sputter film formation chamber 7 are determined. Impurities such as water and oxygen incident on the substrate surface during transfer cover the surface of the Al film 16. Therefore, the surface of the Al film 16 is not oxidized because the non-oxidizing atmosphere is controlled so as not to occur.
[0095]
(4) Since the Ti film 15 and the Al film 16 constituting the wiring are formed by sputtering in a state where the substrate is kept at a temperature below room temperature, the Ti film 15 and the Al film 16 in the opening 14 are formed. The surface coverage is high and the surface flatness is excellent. For this reason, the reliability and manufacturing yield of the semiconductor integrated circuit device can be increased.
[0096]
(5) Since the Al film 17 constituting the wiring is formed by sputtering with the substrate held at a high temperature of about 400 ° C., the Al film 17 has a sufficiently high conductivity, and the semiconductor integrated circuit device Basic performance can be demonstrated.
[0097]
Note that, after the Al film 17 is formed by high-temperature sputtering, it may be held under a high pressure of 100 atm or higher, for example, 400 to 500 atm. In that case, the void existing in the opening 14 can be crushed by the pressure, and the void can be eliminated. At this time, the presence of the Ti film 15 and the Al film 16 by low-temperature sputtering contributes to the effect of relaxing the pressure and temperature conditions and eliminating the void at a temperature lower than the lower pressure.
[0098]
As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments of the invention. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
[0099]
For example, in the above embodiment, the Ti film 15 and the Al film 16 are exemplified as the low-temperature sputtered film, but a TiN film, a Ti / TiN laminated film, or a W film may be used instead of the Ti film 15. In this case, the thin film needs to be a low-temperature sputtered film. Further, the Ti film 15 may be omitted. In this case, the low-temperature sputtered Al film 16 is necessary.
[0100]
In the above embodiment, the example in which the opening 14 is embedded by the Al film 17 by high-temperature sputtering has been described. However, the opening 14 may be embedded by a W film or a highly doped polysilicon film using a CVD method.
[0101]
Needless to say, the combination of the low-temperature sputtered film and the buried film of the opening 14 may be any combination.
[0102]
Further, the Al films 16 and 17 may be Al alloy films targeting an Al alloy.
[0103]
In the above description, the case where the invention made mainly by the present inventor is applied to the semiconductor integrated circuit device which is the field of use and the manufacturing method thereof has been described. However, the present invention is not limited to this. The present invention can be applied to general thin film formation.
[0104]
【The invention's effect】
Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.
[0105]
(1) The substrate can be cooled, and a sputtered film having a high surface coverage and excellent surface flatness can be obtained.
[0106]
(2) Since a refrigerant that does not solidify even at 0 ° C. or lower can be used, the substrate can be held at a temperature lower than room temperature, and a sputtered film with higher surface coverage and excellent surface flatness can be formed. .
[0107]
(3) Since a refrigerant is used, the structure of the apparatus can be simplified, and maintenance and the like are facilitated. In addition, even when high-frequency plasma is generated, it is affected by the electric field for generating the plasma. Temperature control without any problems.
[0108]
(4) Since the substrate can be heated, a metal sputtered film having high conductivity can be obtained as in the prior art.
[0109]
(5) Since the sputtered film can be formed at a high temperature after the sputtered film is formed at a low temperature, it is possible to form a good buried film that does not form voids when embedding the holes.
[0110]
(6) Since a pressurizing mechanism of 100 atm or higher is provided, the void can be eliminated by the dynamic action of this pressure even when the embedded film deposited in the opening has a void. Become.
[0111]
(7) Since the substrate is controlled so as to be in a non-oxidizing atmosphere, the sputtered film can be prevented from being oxidized.
[0112]
(8) Since the opening is connected by the sputtered film having a high surface coverage and excellent surface flatness, the reliability of the semiconductor integrated circuit device can be increased. In addition, the stability of the manufacturing process of the semiconductor integrated circuit device is improved, and the yield rate of the semiconductor integrated circuit device is improved. Furthermore, when embedding the holes, it is possible to achieve the embedding of an aperture having a high aspect ratio of about 1.5 times that of the conventional method. It becomes possible to improve 2 times.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side sectional view showing an example of a film forming chamber of a thin film forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side cross-sectional view showing another example of a film forming chamber of a thin film forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a top view showing an example of a thin film forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of a semiconductor integrated circuit device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a fragmentary cross-sectional view showing an example of the manufacturing process of the semiconductor integrated circuit device which is one embodiment of the present invention;
6 is a fragmentary cross-sectional view showing an example of a manufacturing process of the hole portion in FIG. 5. FIG.
7 is a fragmentary cross-sectional view showing an example of a manufacturing process of the hole portion in FIG. 5; FIG.
8 is a fragmentary cross-sectional view showing an example of a manufacturing process of the opening portion in FIG. 5;
FIG. 9 is a cross-sectional view of an essential part showing an example of a high-temperature sputtered film when an opening portion is manufactured using a general high-temperature thin film forming apparatus.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a principal part showing an example of a high-temperature sputtered film when an opening portion is manufactured using a general high-temperature thin film forming apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Vacuum transfer chamber
1a Robot arm
1b Gate valve
2 Load lock room
3 Pretreatment heating chamber
4 Pretreatment sputter etch chamber
5 Ti sputter deposition chamber
5a Ti target
6 Al sputter deposition chamber
6a Al target
7 Al sputter deposition chamber
7a Al target
8 Wafer stage
8a flow path
8b Refrigerant temperature controller
8c insulation
8d refrigerant
8e Resistance heater
8f thermocouple
8g Wafer holding mechanism
8h Cooling gas outlet
10 wafers
10a Insulating film
11 Wafer stage
11a flow path
11b Cooling water temperature controller
11d cooling water
11e Resistance heater
11f thermocouple
11g Wafer holding mechanism
11h Gas outlet for temperature control
12 Metal film
13 Interlayer insulation film
14 Opening
15 Ti film
16, 17 Al film

Claims

その内部の圧力を大気圧以下の圧力に保持することができる一または二以上の真空容器と、前記真空容器内の気体を排気する排気手段と、前記真空容器のうち少なくとも一の真空容器に一定流量のガスを供給するガス供給手段と、前記ガスを排気し、前記一の真空容器内の圧力を所定の圧力に保持する圧力調整手段と、前記ガスの全部もしくは一部をプラズマ状態にすることができるプラズマ生成手段と、前記プラズマに接し、薄膜の原料となる物質を主成分とする材料をその表面に有するターゲットと、前記プラズマの作用によって前記ターゲットからスパッタリングされた原料物質がその表面に堆積される基板を保持する基板ホルダと、を含み、前記基板ホルダは、前記基板を冷却する冷却機構を備える薄膜形成装置を用いて、開孔を有する絶縁膜が形成された前記基板の前記開孔内へ厚さ５０Å以上２００Å以下の金属膜を形成する半導体集積回路装置の製造方法であって、前記基板を室温以下の温度に保持した状態で、前記プラズマの作用により前記ターゲットから原料物質をスパッタし、前記基板に薄膜を堆積する工程、を含むことを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。One or two or more vacuum containers capable of maintaining the internal pressure at a pressure below atmospheric pressure, exhaust means for exhausting the gas in the vacuum container, and at least one of the vacuum containers is constant A gas supply means for supplying a gas at a flow rate; a pressure adjusting means for exhausting the gas and maintaining the pressure in the one vacuum vessel at a predetermined pressure; and putting all or a part of the gas into a plasma state. A plasma generation means capable of generating a target, a target having a material mainly composed of a material that is in contact with the plasma and serving as a thin film material, and a source material sputtered from the target by the action of the plasma deposited on the surface A substrate holder for holding the substrate to be formed, and the substrate holder has a hole using a thin film forming apparatus having a cooling mechanism for cooling the substrate. A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device which forms the thickness 50Å or 200Å or less of the metal film into the opening of the substrate on which an insulating film is formed that, the substrate being maintained at a temperature below room temperature And a step of sputtering a source material from the target by the action of the plasma and depositing a thin film on the substrate.

請求項１記載の半導体集積回路装置の製造方法であって、前記冷却機構は、０℃以下においても凝固しない冷媒を利用して前記基板ホルダを冷却する機構を有するものであり、前記基板を室温以下の温度に保持できるものであることを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。 2. The method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the cooling mechanism includes a mechanism that cools the substrate holder using a refrigerant that does not solidify even at 0 [deg.] C. or lower. A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device, which can be maintained at the following temperature.

請求項１記載の半導体集積回路装置の製造方法であって、前記真空容器のうち少なくとも１つの真空容器は、前記基板を加熱する基板加熱手段を備えていることを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。 2. The method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein at least one of the vacuum vessels includes a substrate heating means for heating the substrate. Production method.

請求項１記載の半導体集積回路装置の製造方法であって、前記真空容器のうち少なくとも１つの真空容器は、その真空容器内の圧力を大気圧以上の加圧状態に保持することができる加圧手段を備えていることを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。 2. The method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein at least one of the vacuum containers is capable of maintaining the pressure in the vacuum container in a pressurized state equal to or higher than atmospheric pressure. A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device, comprising: means.

その内部の圧力を大気圧以下の圧力に保持することができる一または二以上の真空容器と、前記真空容器内の気体を排気する排気手段と、前記真空容器のうち少なくとも一の真空容器に一定流量のガスを供給するガス供給手段と、前記ガスを排気し、前記一の真空容器内の圧力を所定の圧力に保持する圧力調整手段と、前記ガスの全部もしくは一部をプラズマ状態にすることができるプラズマ生成手段と、前記プラズマに接し、薄膜の原料となる物質を主成分とする材料をその表面に有するターゲットと、前記プラズマの作用によって前記ターゲットからスパッタリングされた原料物質がその表面に堆積される基板を保持する基板ホルダと、を含み、前記基板ホルダは、前記基板を冷却する冷却機構を備え、前記冷却機構は、０℃以下においても凝固しない冷媒を利用して前記基板ホルダを冷却する機構を有するものであり、前記基板を室温以下の温度に保持できるものであり、前記真空容器のうち少なくとも１つの真空容器は、前記基板を加熱する基板加熱手段を備えている薄膜形成装置を用いて、開孔を有する絶縁膜が形成された前記基板の前記開孔内へ厚さ５０Å以上２００Å以下の金属膜を形成する半導体集積回路装置の製造方法であって、
（ａ）前記基板を室温以下の温度に保持した状態で、前記プラズマの作用により前記ターゲットから原料物質をスパッタし、前記基板に薄膜を堆積する工程、
（ｂ）前記（ａ）の工程の後、前記基板を１００℃以上の温度に保持した状態で、前記プラズマの作用により前記ターゲットから原料物質をスパッタし、前記基板に薄膜を堆積する工程、を含むことを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。One or two or more vacuum containers capable of maintaining the internal pressure at a pressure below atmospheric pressure, exhaust means for exhausting the gas in the vacuum container, and at least one of the vacuum containers is constant A gas supply means for supplying a gas at a flow rate; a pressure adjusting means for exhausting the gas and maintaining the pressure in the one vacuum vessel at a predetermined pressure; and putting all or a part of the gas into a plasma state. A plasma generation means capable of generating a target, a target having a material mainly composed of a material that is in contact with the plasma and serving as a thin film material, and a source material sputtered from the target by the action of the plasma deposited on the surface A substrate holder for holding the substrate to be mounted, the substrate holder comprising a cooling mechanism for cooling the substrate, wherein the cooling mechanism is at 0 ° C. or lower. A mechanism that cools the substrate holder using a non-solidifying refrigerant, and can hold the substrate at a temperature below room temperature, and at least one of the vacuum vessels includes the substrate. A semiconductor integrated circuit device for forming a metal film having a thickness of 50 mm or more and 200 mm or less in the opening of the substrate on which an insulating film having an opening is formed, using a thin film forming apparatus provided with a substrate heating means for heating A manufacturing method of
(A) a step of sputtering a raw material from the target by the action of the plasma while the substrate is kept at a temperature below room temperature, and depositing a thin film on the substrate;
(B) After the step (a), in a state where the substrate is held at a temperature of 100 ° C. or higher, a source material is sputtered from the target by the action of the plasma, and a thin film is deposited on the substrate. A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device, comprising:

その内部の圧力を大気圧以下の圧力に保持することができる一または二以上の真空容器と、前記真空容器内の気体を排気する排気手段と、前記真空容器のうち少なくとも一の真空容器に一定流量のガスを供給するガス供給手段と、前記ガスを排気し、前記一の真空容器内の圧力を所定の圧力に保持する圧力調整手段と、前記ガスの全部もしくは一部をプラズマ状態にすることができるプラズマ生成手段と、前記プラズマに接し、薄膜の原料となる物質を主成分とする材料をその表面に有するターゲットと、前記プラズマの作用によって前記ターゲットからスパッタリングされた原料物質がその表面に堆積される基板を保持する基板ホルダと、を含み、前記基板ホルダは、前記基板を冷却する冷却機構を備え、前記冷却機構は、０℃以下においても凝固しない冷媒を利用して前記基板ホルダを冷却する機構を有するものであり、前記基板を室温以下の温度に保持できるものであり、前記真空容器のうち少なくとも１つの真空容器は、前記基板を加熱する基板加熱手段を備え、さらに、前記真空容器のうち少なくとも１つの真空容器は、その真空容器内の圧力を大気圧以上の加圧状態に保持することができる加圧手段を備えている薄膜形成装置を用いて、開孔を有する絶縁膜が形成された前記基板の前記開孔内へ厚さ５０Å以上２００Å以下の金属膜を形成する半導体集積回路装置の製造方法であって、
（ａ）前記基板を室温以下の温度に保持した状態で、前記プラズマの作用により前記ターゲットから原料物質をスパッタし、前記基板に薄膜を堆積する工程、
（ｂ）前記（ａ）の工程の後、前記基板を１００℃以上の温度に保持した状態で、前記プラズマの作用により前記ターゲットから原料物質をスパッタし、前記基板に薄膜を堆積する工程、
（ｃ）前記（ｂ）の工程の後、前記基板を大気圧以上の加圧状態に保持する工程、を含むことを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。One or two or more vacuum containers capable of maintaining the internal pressure at a pressure below atmospheric pressure, exhaust means for exhausting the gas in the vacuum container, and at least one of the vacuum containers is constant A gas supply means for supplying a gas at a flow rate; a pressure adjusting means for exhausting the gas and maintaining the pressure in the one vacuum vessel at a predetermined pressure; and putting all or a part of the gas into a plasma state. A plasma generation means capable of generating a target, a target having a material mainly composed of a material that is in contact with the plasma and serving as a thin film material, and a source material sputtered from the target by the action of the plasma deposited on the surface A substrate holder for holding the substrate to be mounted, the substrate holder comprising a cooling mechanism for cooling the substrate, wherein the cooling mechanism is at 0 ° C. or lower. A mechanism that cools the substrate holder using a non-solidifying refrigerant, and can hold the substrate at a temperature below room temperature, and at least one of the vacuum vessels includes the substrate. A thin film comprising substrate heating means for heating, and further comprising at least one vacuum container among the vacuum containers, the pressure means capable of maintaining the pressure in the vacuum container in a pressurized state equal to or higher than atmospheric pressure. A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device, wherein a metal film having a thickness of 50 mm or more and 200 mm or less is formed in the opening of the substrate on which an insulating film having an opening is formed using a forming apparatus,
(A) a step of sputtering a raw material from the target by the action of the plasma while the substrate is kept at a temperature below room temperature, and depositing a thin film on the substrate;
(B) After the step (a), in a state where the substrate is held at a temperature of 100 ° C. or higher, a source material is sputtered from the target by the action of the plasma, and a thin film is deposited on the substrate;
(C) A method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device, comprising a step of holding the substrate in a pressurized state of atmospheric pressure or higher after the step (b).