JP3887605B2 - Sputtering method and sputtering apparatus - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はスパッタリング方法、及びスパッタリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体デバイスの製造プロセスを例にとって説明すると、従来から半導体ウエハなどの被処理体に対して電極やパターンを形成したり、素子分離のための絶縁膜等を形成するために、所定の減圧雰囲気に設定された処理室内に、当該被処理体と、所望の電極、パターン材料、絶縁材料からなるターゲットと対向配置させ、グロー放電等によって前記ターゲットからはじき出された堆積粒子（堆積種）を、被処理体に堆積させるスパッタリング方法が採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで今日、半導体デバイスの高集積化に伴い、半導体デバイスの製造プロセスにおいても、より微細な加工を正確に行う技術の確立が求められており、例えば内部配線形成プロセスにおいては、開口部が小さくかつ高さの深い高アスペクト比の溝内に、所定の配線用堆積種やあるいは絶縁用堆積種を充填させる必要が生じてきている。
【０００４】
かかる場合、従来のスパッタリング方法、装置では、ターゲットからはじき飛ばされた堆積種の飛翔方向が揃っておらず、即ち飛翔する各粒子の垂直方向成分と水平方向成分の比率が区々となっており、そのため被処理体表面に形成されたアスペクト比の高い溝、穴の底部から堆積させようとしても、これら溝、穴の開口周縁部に堆積する数が多くなってしまう。その結果、溝、穴の底部や内部にボイドが発生し、断線不良や、絶縁不良が発生するおそれがあった。
【０００５】
かかる事態を防止するには、被処理体に向かって飛翔する堆積種の水平方向成分を減少させて、垂直方向で溝、穴に入射、堆積させることが望ましい。この点、例えば複数の円形孔やハニカム状の透孔を垂直方向に有するコリメータを、ターゲットと被処理体との間に設置し、ターゲットから飛翔する堆積種の被処理体への入射を規制する方法が提案されているが、かかる方法によれば入射する堆積種の数が減少するので、堆積レートが低下し、また目詰まりが原因でコリメータ自身にデポが生じ、それが剥がれて処理室内を汚染するパーティクルが発生する可能性があった。
【０００６】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、被処理体に対して垂直異方性の優れたスパッタリングが実現可能なスパッタンリング方法、並びにその装置を提供して、高いアスペクト比を有する溝、穴内への堆積を確実ならしめることを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
従来のスパッタリング方法においては、いわゆる平行平板型プラズマ装置や、マグネトロン方式など、比較的プラズマ密度の低いプラズマ装置を用いていたため、ターゲットから飛翔して堆積種となる分子や原子が電気的に中性のものを多く含んでいるため、前記したような問題が発生していた。
そこで本発明では、基本的に例えばヘリコン波プラズマやその他ＥＣＲプラズマ、誘導結合プラズマなど、高密度でプラズマが発生する方式を採用すると共に、さらに当該高密度プラズマで、堆積種が効果的にイオン化されて被処理体に対して垂直方向に入射、堆積させるような構成を採ったものである。
【０００８】
即ちまず請求項１によれば、減圧自在に構成された処理容器内にターゲットと被処理体を対向配置し、前記処理容器内にガスを導入しつつプラズマを発生させて、前記ターゲットからの堆積種又はターゲットからの粒子と前記ガスとの結合堆積種を前記被処理体に堆積させるスパッタリング方法において、前記結合堆積種をイオン化させるためにアンテナ手段によって処理容器内にプラズマを発生させてプラズマ領域を形成するようにし，前記ターゲットは少なくとも当該プラズマ領域内に位置させ、前記被処理体は当該プラズマ領域境界外方近傍に位置させ，さらに前記プラズマ領域を通過する前記結合堆積種のイオン化割合が中性種よりも多くなるように前記ターゲットから当該プラズマ領域の境界までの長さを設定すると共に、前記被処理体にはバイアス電圧を印加させ、前記ガスは前記処理容器の軸方向一側から導入して他側から排気され、前記アンテナ手段は、前記ターゲットよりも前記ガス流の下流側に配置されることを特徴とするスパッタリング方法が提供される。
この場合、アンテナ手段によって発生させるプラズマとは、他に例えばヘリコン波プラズマやＥＣＲプラズマ、誘導結合プラズマが挙げられる。
【０００９】
また，スパッタリング方法の参考例として、減圧自在に構成された処理容器内にターゲットと被処理体を対向配置し、前記処理容器内にガスを導入しつつプラズマを発生させて、前記ターゲットからの堆積種又はターゲットからの粒子と前記ガスとの結合堆積種を前記被処理体に堆積させるスパッタリング方法において、前記プラズマはヘリコン波によって発生させるようにし、前記ターゲットは少なくとも当該プラズマ領域内に位置させ、さらに前記被処理体は当該プラズマ領域境界外方近傍に位置させると共に、この被処理体にはバイアス電圧を印加させるようなスパッタリング方法が提案できる。
【００１０】
これらの各スパッタリング方法において、請求項２に記載したように、処理容器内に磁場を形成して、処理容器内に発生した前記プラズマ領域の被処理体側境界を規制して前記被処理体を前記プラズマ領域境界外方近傍に位置させるように構成してもよく、あるいは請求項３に記載したように、処理容器内に流すガスの流れによって、処理容器内に発生した前記プラズマ領域の被処理体側境界を規制して前記被処理体を前記プラズマ領域境界外方近傍に位置させるように構成してもよい。また，前記スパッタリング方法は，前記処理容器内に磁場を形成し，該磁場が形成される範囲内に前記プラズマ領域を形成させるように構成してもよい。この場合，前記ターゲットから前記プラズマ領域の前記被処理体側の境界までの長さは，堆積種の平均自由行程の１０倍としてもよい。
【００１１】
また，スパッタリング方法の参考例として、プラズマを用いたスパッタリングを利用してターゲットからの堆積種又はターゲットからの粒子と前記ガスとの結合堆積種を被処理体に堆積させるスパッタリング方法において、前記プラズマは高密度プラズマとし、ターゲットからの堆積種又はターゲットからの粒子と前記ガスとの結合堆積種をこの高密度プラズマ中でイオン化させ、被処理体表面における高アスペクト比をもった微細な溝の底に、低誘電率の絶縁膜又はＡｌ、ＴｉＮ等の膜を異方的に堆積させるようなスパッタリング方法が提案できる。なお，本発明のスパッタリング方法における前記結合堆積種は、絶縁膜又はＡｌ系、ＴｉＮ，Ｃｕ系の膜であってもよい。
【００１２】
スパッタリング方法の参考例として，プラズマを用いたスパッタリングを利用してターゲットからの堆積種、又はターゲットからの粒子と前記ガスとの結合堆積種を被処理体に堆積させるスパッタリング方法において、石英管内に直流の負電位が印加されるＳｉのターゲットを設けると共に、前記ターゲットと対向する位置には、高周波電力が印加されるＳｉの被処理体を設け、ヘリコン波プラズマを用いて前記石英管内にプラズマを発生させ、前記発生したプラズマをコイル磁場で一定の領域内に閉じこめると共に、当該プラズマ発生領域中に前記ターゲットが位置するように設定し、かつ被処理体は当該プラズマ領域の境界外方近傍に位置させるようにし、前石英管内に酸素とアルゴンとの混合ガスを導入して、前記被処理体の表面の溝内にＳｉＯ２を堆積させるようなスパッタリング方法が提案できる。
【００１３】
以上の各スパッタリング方法におけるプラズマは、請求項６に記載したように、１０１１cm−３以上の電子密度を有するようにすることが好ましい。また，前記アンテナ手段は，ループ形状を有していてもよい。さらに，前記ガスは前記処理容器の軸方向一側から導入して他側から排気され、前記処理容器内において前記被処理体は前記ガス流の上流側に配置し，前記ターゲットは，当該ガス流の下流側に配置されていてもよい。また，前記アンテナ手段によって発生するプラズマは，ＥＣＲプラズマ又は誘導結合プラズマであってもよい。
【００１４】
スパッタリング装置としては、まず請求項１０に記載したように，減圧自在に構成された処理容器内に、ターゲットと被処理体を対向配置し、前記処理容器内にガスを導入しつつプラズマを発生させて、前記ターゲットからの堆積種又はターゲットからの粒子と前記ガスとの結合堆積種を前記被処理体に堆積させる如く構成されたスパッタリング装置において、前記処理容器を略円筒形に構成すると共に、前記結合堆積種をイオン化するためにアンテナ手段によって前記処理容器内にプラズマを発生させてプラズマ領域を形成するようにし、前記プラズマ領域を通過する前記結合堆積種のイオン化割合が中性種よりも多くなるように前記ターゲットから前記プラズマ領域の前記被処理体側の境界までの長さを設定し，さらに前記ガスはこの処理容器の軸方向一側から導入して他側から排気するように構成し、前記被処理体に対してバイアス電圧を印加自在となるように構成し，
前記アンテナ手段は，前記ターゲットよりも前記ガス流の下流側に設けられていることを特徴とするスパッタリング装置が提供される。
【００１５】
また，請求項１１に記載したように前記アンテナ手段によって発生したプラズマが前記処理容器の軸方向に沿って少なくとも被処理体側に拡散するのを防止するための磁場形成手段を処理容器外周に設けてもよい。
【００１６】
本発明のスパッタリング装置は，請求項１２に記載したように前記ターゲットと前記被処理体との各中心を結ぶ軸線と直交する面に磁場を形成する磁場形成手段を備えていてもよい。
この場合、請求項１３のように前記磁場形成手段にヨークを付加した構成としたり、さらに請求項１４のように前記磁場形成手段によって発生する最大磁場が、ターゲットと被処理体との間のほぼ中心に位置するように設定してもよい。
【００１７】
そして以上のように構成される各スパッタンリング装置において、請求項１５のようにターゲットを冷却する冷却手段を備えたり、請求項１６のように被処理体を冷却する冷却手段を備えれば、さらに好ましい結果が得られる。
【００１８】
プラズマ密度自体については、例えば参考例として１０１１cm−３以上の電子密度を有するプラズマを発生させる如く構成すれば、なお好ましく、この場合、ヘリコン波によってプラズマを発生させるようにしてもよい。そしてプラズマを発生させるためのアンテナ手段については、処理容器内部に設けるようにしてもよい。また，前記アンテナ手段は，ループ形状を有していてもよく，そのアンテナ手段は，一巻のループ形状を有していてもよい。
また，被処理体に堆積させる結合堆積種が導電性物質の場合，前記アンテナ手段の材質は，導電性物質と同一の物質で構成されていてもよい。前記アンテナ手段によって発生するプラズマは，ＥＣＲプラズマであってもよいし，誘導結合プラズマであってもよい。
前記処理容器内において，前記被処理体は前記ガス流の上流側に配置され，前記ターゲットは，当該ガス流の下流側に配置されていてもよい。
なお，参考例として，前記磁場形成手段の前記ヨークは，２つ備えられ，コ字型で前記処理容器を挟んで開口部が互いに向き合うように対向配置されていてもよい。
【００１９】
【作用】
請求項１の場合、アンテナ手段によって発生される例えばＥＣＲプラズマ、誘導結合プラズマなどのプラズマは、高密度プラズマである。従って、スパッタリングによってターゲットから放出された分子、原子などの堆積種は、この高密度プラズマを通過する際にイオン化される。
従って、被処理体にバイアス電圧を印加させることにより、当該イオン化された活性種は、垂直方向に加速されてそのまま被処理体に向かって飛翔し、被処理体表面に堆積する。また堆積レートを低下させることもない。
この場合、被処理体はプラズマ領域境界外方近傍に位置させているので、プラズマ自体による影響、例えばエッチングなどが施されるおそれはない。
【００２０】
また参考例のスパッタリング方法によれば、ヘリコン波によって発生されるプラズマを用いているので、ターゲットから放出された中性の堆積種を効果的にイオン化することが可能である。
【００２１】
請求項２によれば、処理容器内に形成した磁場によって、請求項３の場合には、処理容器内に流すガスの流れによって、そのようなプラズマ領域の被処理体側境界を規制している。従って、所定の位置に境界設定することが容易であり、特に請求項３の場合には、格別にかかる境界規制手段を設けることなく、処理容器内に導入する通常の処理ガスの流れによって、かかるプラズマ領域の被処理体側境界を規制することが可能になっている。
【００２２】
また別の参考例のスパッタリング方法によれば、ターゲットからの堆積種又はターゲットからの粒子と前記ガスとの結合堆積種をこの高密度プラズマ中でイオン化させ、被処理体表面における高アスペクト比をもった微細な溝の底に、低誘電率の絶縁膜又はＡｌ、ＴｉＮ等の膜を異方的に堆積させるので、堆積後の前記溝内にボイド等が発生するおそれはない。
【００２３】
さらに別の参考例のスパッタリング方法によれば、スパッタされたＳｉが運動量をもち、しかも高密度ヘリコン波プラズマ中でイオン化が促進され、さらにバイアスによって被処理体に対して直角に加速されるので、底部から堆積が進み、前記被処理体の表面の溝内に堆積したＳｉＯ２中に、ボイド等が発生することはない。
【００２４】
そして請求項６のように、以上の各スパッタリング方法におけるプラズマを１０１１cm−３以上の密度に設定すれば、プラズマ中を通過する堆積種は、その大部分がイオン化される。
【００２５】
請求項１０に記載したスパッタリング装置によれば、アンテナ手段によって処理容器内に高密度のプラズマが発生する。そして，例えば被処理体をガス流の上流側に配置し、ターゲットを当該ガス流の下流側に配置した場合、ガス流の制御によって、被処理体を前記プラズマ領域の境界外方近傍に位置させ、かつターゲットを前記プラズマ領域内に配置させることが可能である。
従って、前記ターゲットからの堆積種又はターゲットからの粒子と前記ガスとの結合堆積種は、前記プラズマ領域中でイオン化させる一方、プラズマによって被処理体自体が例えばエッチングされることなどを防止できる。そして被処理体にバイアス電圧を印加させることにより、イオン化された堆積種はこの被処理体に対して直角に入射、堆積する。
【００２６】
この点請求項１１によれば、発生したプラズマが処理容器の軸方向に沿って少なくとも被処理体側に拡散するのを防止するための磁場形成手段が設けられているので、被処理体を前記プラズマ領域の境界外方近傍に位置させ、かつターゲットを前記プラズマ領域内に配置させることが可能である。
【００２７】
請求項１２によれば、ターゲットと被処理体との各中心を結ぶ軸線と直交する面に磁場を形成する磁場形成手段を備えているので、被処理体を前記プラズマ領域の境界外方近傍に位置させ、かつターゲットを前記プラズマ領域内に配置させることが可能である。
またこの点、請求項１３に記載したように、ヨークを付設すれば、簡易な手段で磁場強度の制御が容易であり、さらに請求項１４のように、前記磁場形成手段によって発生する最大磁場が、ターゲットと被処理体との間のほぼ中心に位置するように設定すれば、被処理体にプラズマがダメージを与えるようなことはない。
【００２８】
請求項１５のように、ターゲットを冷却する冷却手段を備えたり、請求項１６のように、被処理体を冷却する冷却手段を備えれば、ターゲットや被処理体の温度が異常に上昇するのを抑えて、適切なスパッタリング処理を実施することが可能である。
【００２９】
そして１０１１cm−３以上の電子密度を有するプラズマを発生させる如く構成すれば、堆積種のイオン化が適切に行われ、電気的に中性の堆積種の割合を大幅に減少させることができる。この場合、ヘリコン波によってプラズマを発生させるようにすれば、かかる高密度のプラズマを容易に得ることができる。
【００３０】
処理容器内部にアンテナ手段を設ければ、導電性の堆積種をスパッタリングによって被処理体表面に堆積させる処理を実施するにあたり、処理容器の内周壁にかかる堆積種が付着しても、プラズマの発生に支障をきたさない。
【００３１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図について説明すると、図１は第１実施例にかかるスパッタリング装置１の断面を模式的に示しており、このスパッタリング装置１における処理容器２は、図示される如く、略円筒形状の石英管によって構成されている。そしてスパッタリング処理される被処理体、例えば半導体ウエハ（以下、「ウエハ」という）Ｗは、前記処理容器２の底部に設置された導電性のサセプタ３の上に、例えば静電チャック（図示せず）を介して保持されるようになっている。
【００３２】
このサセプタ３は下部電極を構成し、処理容器２外部に設置された高周波電源４、整合装置５を介して、この高周波電源４からのバイアス電圧、例えば１００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの高周波が印加自在なように構成されている。またこのサセプタ３内には、適宜の冷却空間６が形成されており、この冷却空間６内を、導入管７、排出管８を通じて、例えば室温程度（２０〜２５゜Ｃ）の冷却水が循環するようになっており、前記ウエハＷは所定の温度にまで冷却、維持されるようになっている。
【００３３】
前記処理容器２の底部近傍には、真空ポンプなどの排気手段１１に通ずる排気管１２が設けられており、この排気手段１１の作動によって、この処理容器２内は、０．１mmＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒまでの任意の減圧度に調節自在となっている。
【００３４】
一方前記サセプタ３と対向する処理容器２内の上部には、上部電極２１が設けられており、この上部電極２１の下面、即ち、前記サセプタ３と対向する面に、ターゲット２２が設けられている。本実施例においては、Ｓｉのターゲットを用いている。この上部電極２１は、支持材２３によって支持されており、この支持材２３を貫設した導入管２４、排出管２５によって、冷却水が上部電極２１内の冷却空間２６内を循環し、前記ターゲット２２を所定の温度にまで冷却するように構成されている。
そして上部電極２１には、処理容器２外部に設置された直流電源２７から、所定の負のバイアス電圧、例えば３００Ｖの直流電圧が印加されるように構成されている。
【００３５】
前記処理容器２の上部近傍には、処理ガス導入管３１が設けられており、この処理ガス導入管３１には、バルブ３２、３３及びマスフローコントローラ３４、３５を介して、処理ガス供給源３６、３７が接続されている。本実施例においては、処理ガス供給源３６にＡｒガスが、処理ガス供給源３７にはＯ２ガスが用意されている。
【００３６】
前記処理容器２の上部外周には、ヘリコン波を発生させる図２に示したようなループ状のアンテナ４１が配置されている。そしてこのアンテナ４１には、整合装置４２を介して、高周波電源４３からの高周波、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波が印加されるように構成されている。
【００３７】
前記アンテナ４１と、サセプタ３との間における前記処理容器２の外周には、側面が略「コ」字型のヨーク５１、５２が、図１、図２に示したように、処理容器２を挟んで開口部が向き合うように対向配置されており、さらにこれら各ヨーク５１、５２には、それぞれコイル５３、５４が巻き付けられており、所定の電源（図示せず）からの電流がこれらコイル５３、５４を流れると、前記各ヨーク５１、５２の上部延出部５１ａ、５２ａ間、下部延出部５１ｂ、５２ｂ間に磁束（図１における破線で示す）が形成され、処理容器２内に磁場が形成されるようになっている。なお本実施例で使用したヨーク５１、５２は、同形同大であって、その材質は、透磁率の高い冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）からなっている。
もちろんこれに限らず、高い透磁率を有する材質のヨークを適宜選択して使用でき、また前記したように、２つのヨークを用意して必ずしも対向させる必要はない。
【００３８】
本実施例にかかるスパッタリング装置１は以上の構成を有しており、本装置を用いて、図３に示したようにウエハＷ表面に形成された高アスペクト比の溝Ｄ内に、ＳｉＯ２の絶縁膜を埋め込む処理について説明すると、まず排気手段１１によって処理容器２内を減圧し、さらに処理ガス供給源３６からＡｒガスを、処理ガス供給源３７からＯ２ガスを導入して、処理容器２内を５mmＴｏｒｒの減圧度に維持する。なおＡｒガスとＯ２ガスの流量比は、Ａｒガスが８０％、Ｏ２ガスを２０％とした。
【００３９】
そして前記サセプタ３に高周波電源４から高周波バイアスを印加すると共に、ターゲット２２に対しても直流電源２７によって直流の電圧（負電位）を印加させる。またアンテナ４１に対しては、高周波電源４３からの高周波を印加してヘリコン波を発生させ、処理容器２内に高密度のプラズマを発生させる。
一方コイルコイル５３、５４に対しても通電して、処理容器２内の所定領域に磁場を形成させる。なおこのときの発生した磁場強度と、ターゲット２２、ウエハＷとの位置関係は、図４のグラフに示した通りである。かかる磁場が処理容器２内に形成されると、発生したプラズマはこの磁場の中に閉じこめられ、図１に示したようなプラズマ領域Ｐが形成される。
【００４０】
そうすると、処理ガス中のＡｒガス粒子がプラズマによって解離して、Ｓｉのターゲット２２に向けて飛翔し、それによってターゲット２２からＳｉ粒子がはじき飛ばされ、処理ガス中のＯ２と結合して堆積種ＳｉＯ２が発生する。
前記プラズマ領域Ｐは、ヘリコン波によって生成された高密度のプラズマであるから、発生したＳｉＯ２は、このプラズマ領域Ｐを通過する際にその大部分がイオン化される。他方、被処理体であるウエハＷには、高周波電源４によってバイアスがかけられているから、この堆積種ＳｉＯ２は当該ウエハＷに向けて垂直方向に加速される。
【００４１】
従って、図５に示したように、堆積種ＳｉＯ２はウエハＷ表面に形成された溝Ｄ内に垂直方向に入射し、その底部から堆積していく。
そのゆえ溝Ｄの深さが大きく、開口部が小さい高アスペクト比であっても、その底部から堆積させることができるので、埋め込まれたＳｉＯ２中に、ボイドが生ずるおそれはないものである。またコリメータを使用していないので、堆積レートが低下することもない。
【００４２】
なお前記処理における堆積種のイオン化過程を鑑みれば、プラズマ領域通過中に、堆積種のイオン化を促進してイオン化された堆積種の割合を多くする必要があるが、前記スパッタリング装置１においては、ヨーク５１、５２によってプラズマ領域Ｐの幅（処理容器２の軸方向の長さ）を適切に設定させられるので、かかるイオン化を十分に実現させることが可能となっている。
その場合、前記プラズマ領域Ｐの幅（処理容器２の軸方向の長さ）、より厳密にいえば、ターゲット２２からプラズマ領域Ｐの下側境界までの軸方向の長さは、堆積種の平均自由行程の約数倍〜１０倍程度の長さがあれば、ヘリコン波プラズマ通過中に堆積種のイオン化割合を中性種よりも多くすることが可能であり、所期の異方性の高い堆積が実現できる。また発生したプラズマもヘリコン波による高密度プラズマであるから、堆積種のイオン化が効果的になされている。
【００４３】
また図１に示したように、被処理体であるウエハＷは、プラズマ領域Ｐの中に位置していないため、プラズマ中に曝されることはなく、ウエハＷ表面の溝Ｄ自体がプラズマによってエッチングされることはない。
そしてこのウエハＷに対しては、高周波電源４によってバイアス電圧が印加されているので、イオン化されない堆積種が溝Ｄの開口周縁部に堆積しても、これを削り落とすことができる。従って、溝Ｄ内への堆積種の入射を阻害させることはなく、ボイドを生じさせることなく溝Ｄ内に堆積種を堆積させることが可能である。
【００４４】
なお前記処理は、堆積種をＳｉＯ２として、ウエハＷ表面に形成された溝Ｄ内にＳｉＯ２の絶縁パターンを形成する例であったが、もちろん前記スパッタリング装置１によれば、処理ガス、ターゲットの種類を変えて他の処理についても適用できる。
例えばターゲット２２にはＳｉを使用したまま、処理ガスにＡｒガスとＮ２ガスとの混合ガスを用いれば、コンタクトホールなどに用いられる、Ｓｉ３Ｎ４の堆積種を被処理体表面の溝、穴に堆積させることが可能であり、ターゲット２２にＴｉを使用すれば、同じくＡｒガスとＮ２ガスを用いることにより、被処理体表面の溝、穴にＴｉＮを堆積させることができる。
いずれの場合にも前記したＳｉＯ２の場合と同様、垂直方向の入射率の高い堆積処理を実施することができ、溝、穴内にその底部からＳｉ３Ｎ４、ＴｉＮを埋め込むことが可能である。従って、これら溝、穴がアスペクト比の高いものであってもボイドのない堆積処理を実施することができる。
【００４５】
その他、例えば処理ガスとしてＣ４Ｆ８、ＣＦ４等のＣＦ系のガスを用いれば、堆積種ＣＦ＋を、被処理体に向けて垂直に入射させて対応する堆積処理を実施させることができる。なおこの場合は、被処理体に印加するバイアス電圧のパワーは前記した実施例よりも小さくする方が好ましい。
【００４６】
なお例えばＡｌ系、Ｃｕ系の導電性物質を、例えばウエハＷ表面の溝、穴内に堆積させて埋め込む処理を実施する場合、前記実施例にかかるスパッタリング装置１におけるアンテナ４１を処理容器２内部に配置し、アンテナ４１の材質も、これら導電性物質と同一の物質で構成すればよい。そうすると、Ａｌ系、Ｃｕ系の導電性物質が、処理容器２内面やアンテナ４１自体に付着しても、アンテナ４１の機能をなんら損ねることなく、処理容器２内に高密度のプラズマを発生させることが可能である。
【００４７】
前記実施例にかかるスパッタリング装置１においては、プラズマ領域Ｐを規制するため、ヨーク５１、５２を使用したが、かかる手段を用いなくとも、本発明を実施することができる。
図６は、そのようなヨークを持たない構成を有する第２実施例にかかるスパッタリング装置６１の構成の概略を模式的に示しており、このスパッタリング装置６１の処理容器６２は、直径６０mm、長さ５０cmの石英管６３の上下にシール材６４を介して排気チャンバ６５、給気チャンバ６６を備えた構成を有している。前記排気チャンバ６５は、排気手段６７に通ずる排気管６８を具備し、給気チャンバ６６は、バルブ６９、７０、マスフローコントローラ７１、７２を介して処理ガス供給源７３、７４に通ずる給気管７５を具備している。そしてこのスパッタリング装置６１においても、処理ガス供給源７３にＡｒガスが、処理ガス供給源７４にＯ２ガスがそれぞれ充填されている。
【００４８】
前記石英管６３内の上部には、排気チャンバ６５を気密に貫設した上部電極７５が配置されており、その下端部の水冷基盤上にＩｎで付着させた単結晶Ｓｉのターゲット７６が設けられている。この上部電極７５には、外部の直流電源から直流電圧（負電位）が印加される構成となっている。
【００４９】
一方前記石英管６３内の下部には、給気チャンバ６６を気密に貫設した下部電極８１が、前記上部電極７５と対向して配置されている。そしてこの下部電極８１の上端部に基盤８２が設けられ、被処理体であるＳｉのウエハＷは、この基盤８２上に設けられている。なお基盤８２とターゲット７６間の距離は、３cmに設定してある。そしてこの下部電極８１に対しては、整合器８３を介して高周波電源８４から１００ｋＨｚの高周波が印加されるようになっている。
【００５０】
前記石英管６３の外周には、ターゲット７６から４cm上方に位置した部分に、アンテナ８５が配置されている。このアンテナ８５は、一巻きのループ形状をなしており、整合装置８６を介して高周波電源８７に接続され、この高周波電源８７によって、周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波が印加されると、石英管６３内にヘリコン波プラズマを発生させる構成となっている。そしてこのアンテナ８４の上方には、磁場を形成させるためのコイル８８が配置されている。
【００５１】
第２実施例にかかるスパッタリング装置６１は、以上の構成を有しており、次にウエハＷ表面に形成された溝内にＳｉＯ２を堆積させる処理について説明すると、石英管６３内に処理ガスとして、Ａｒガスを８０％、Ｏ２ガスを２０％の割合で導入し、石英管６３内の減圧度を５mmＴｏｒｒに設定する。そしてコイル８６による磁場強度を１８０Ｇａｕｓｓ、アンテナ８３に印加する高周波電力を１．２ｋＷに設定し、さらに上部電極７５に−３００ｖを印加すると共に、下部電極８１に１００ｋＨｚ・５０ｖの高周波バイアスを印加させる。
【００５２】
そうすると、図６に示したように、石英管６３内に高密度（１×１０１２cm−３）のヘリコン波プラズマが発生するが、ウエハＷの下方に位置する給気チャンバ６６から導入される前記ＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスのガス流により、プラズマ領域Ｐの下方側境界は、ウエハＷのすぐ上の位置になるように設定することが可能である。
【００５３】
そしてこの状態でスパッタリングを実施すれば、前出スパッタリング装置１の場合と同様、堆積種であるＳｉＯ２がプラズマ領域Ｐ通過中にイオン化されて、垂直方向に加速され、ウエハＷ表面の溝内に入射、堆積するのである。
実際に前記稼働条件の下で、このスパッタリング装置６１を用いてＳｉの半導体ウエハに対して処理を行ったところ、例えば幅１．２μｍ、深さ３μｍの溝に対しても、ボイドのないＳｉＯ２の埋め込みを実施することができた。またこの場合の堆積速度は、約１０００オングストローム／分であった。従って、堆積速度を損ねることなく、前記した高アスペクト比の溝内に、ＳｉＯ２を空隙なく埋め込むことができる。
【００５４】
しかもかかる作用を実現させる際の、下部電極８１へ印加するバイアス電圧は、５０ｖと極めて低圧でよく、従ってウエハＷに対してダメージを与えるおそれもないものである。
【００５５】
なお前記各実施例は、いずれも被処理体として半導体ウエハを選択してスパッタリングを実施した例であったが、もちろん例えば他の被処理体、例えばＬＣＤ基盤を被処理体としても、本発明は適用可能である。
【００５６】
【発明の効果】
請求項１〜請求項９によれば、スパッタリングによってターゲットから放出された分子、原子などの堆積種は、この高密度プラズマを通過する際にイオン化され、被処理体に対して直角方向に加速されてそのまま被処理体に向かって飛翔し、被処理体表面に堆積する。従って、被処理体表面に形成された微細な溝、穴の底部から堆積種を堆積させることができ、堆積後のこれら溝、穴内には、ボイドが発生することはない。従って、例えばウエハ内部の微細なパターン、微少なコンタクトホールに接続不良、絶縁不良などの配線不良が発生するおそれはない。しかも従来のコリメータを使用する方法に比べても、デポを発生させずに堆積レートを向上させている。もちろん被処理体自体がプラズマによってダメージを受けるおそれもないものである。
【００５７】
特にプラズマにヘリコン波を用いた場合、イオン化される割合が多くなっており、活性種の垂直入射率はさらに向上している。
【００５８】
請求項２、３によれば、プラズマ領域の被処理体側境界を規制が制御でき、堆積レートの低下を招くことなく、適切な被処理体の設置位置を設定できる。特に請求項４の場合には、格別にかかる境界規制手段を設けることなく、処理容器内に導入する通常の処理ガスの流れによって、かかるプラズマ領域の被処理体側境界を規制することが可能になっており、装置として構成した場合、その分簡素化できる。
【００５９】
また、被処理体表面における高アスペクト比をもった微細な溝の底に、低誘電率の絶縁膜又はＡｌ、ＴｉＮ等の膜を異方的に堆積させるので、堆積後の前記溝内にボイド等が発生するおそれはない。
【００６０】
被処理体表面における高アスペクト比をもった微細な溝などの底の部分からボイドのないＳｉＯ２を堆積させることが可能である。
【００６１】
請求項６によれば、プラズマ中を通過する堆積種のイオン化割合を多くすることができ、その結果被処理体に直角に入射、堆積する堆積種の割合をさらに向上させることが可能である。
【００６２】
本発明のスパッタリング装置によれば、被処理体に対してプラズマによるダメージ、エッチング等を与えることなく、被処理体表面に対して直角に堆積種を堆積させることが可能である。従って、被処理体表面に形成された溝、穴の底部から堆積種を堆積させることができ、微細な溝であってもその内部にボイド等を発生させることなく、堆積種でこれら溝、穴等を充填させることが可能である。
【００６３】
また特に請求項１１、１２、１３、１４によれば、磁場形成手段によって被処理体を前記プラズマ領域の境界外方近傍に位置させることが容易であり、プラズマによるエッチング、ダメージを防止して、適切なスパッタリングを実施することが可能である。特に請求項１３の場合、ヨークを用いているので、簡易な構成によって磁場強度、範囲の設定等が容易であり、所望のプラズマ領域の設定も簡単となっている。
【００６４】
そして請求項１５のように、ターゲットを冷却する冷却手段を備えたり、請求項１６のように、被処理体を冷却する冷却手段を備えれば、ターゲットや被処理体の温度の異常上昇を抑えて、適切なスパッタリング処理を実施することが可能である。
【００６５】
本発明によれば、堆積種のイオン化が適切に行われ、電気的に中性の堆積種の割合を大幅に減少させて、垂直異方性にすぐれたスパッタリングを実施することができる。
【００６６】
そして、処理容器内部にアンテナ手段を設ければ、導電性の堆積種をスパッタリングによって被処理体表面に堆積させる処理を実施するにあたり、処理容器の内周壁にそのような堆積種が付着しても、プラズマの発生に支障をきたさない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第実施例にかかるスパッタリング装置の断面を模式的に示した説明図である。
【図２】図１のスパッタリング装置におけるアンテナの平面形態を示す平面説明図である。
【図３】被処理体である半導体ウエハ表面に形成された高アスペクト比の溝の断面説明図である。
【図４】図１のスパッタリング装置におけるターゲットとウエハとの間の磁場強度を示すグラフである。
【図５】図１のスパッタリング装置を用いて図３の溝内にＳｉＯ２を入射、堆積させている様子を示す断面説明図である。
【図６】本発明の第２実施例にかかるスパッタリング装置の断面を模式的に示した説明図である。
【符号の説明】
１ スパッタリング装置
２ 処理容器
３ サセプタ
４ 高周波電源
６、２６ 冷却空間
９ 排気管
１１ 排気手段
２１ 上部電極
２２ ターゲット
２７ 直流電源
３１ 処理ガス導入管
３６、３７ 処理ガス供給源
４１ アンテナ
４３ 高周波電源
５１、５２ ヨーク
５３、５４ コイル
Ｗ ウエハ[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a sputtering method and a sputtering apparatus.
[0002]
[Prior art]
For example, a semiconductor device manufacturing process will be described as an example. Conventionally, in order to form an electrode or a pattern on an object to be processed such as a semiconductor wafer, or to form an insulating film for element isolation, a predetermined reduced pressure atmosphere In the processing chamber set to, the target object and a target made of a desired electrode, pattern material, and insulating material are placed opposite to each other, and deposited particles (deposited species) ejected from the target by glow discharge or the like are placed on the target. A sputtering method for depositing on the treatment body is employed.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, along with the high integration of semiconductor devices, establishment of a technique for accurately performing finer processing is demanded also in the manufacturing process of semiconductor devices. For example, in the internal wiring formation process, the openings are small and It has become necessary to fill a trench having a high depth and a high aspect ratio with a predetermined wiring deposition species or insulating deposition species.
[0004]
In such a case, in the conventional sputtering method and apparatus, the flying direction of the deposited species repelled from the target is not uniform, that is, the ratio between the vertical component and the horizontal component of each flying particle varies. Therefore, even if it is attempted to deposit from the bottom of the groove or hole having a high aspect ratio formed on the surface of the object to be processed, the number of deposits on the peripheral edge of the opening of the groove or hole increases. As a result, voids are generated at the bottom and inside of the grooves and holes, which may cause disconnection failure and insulation failure.
[0005]
In order to prevent such a situation, it is desirable to reduce the horizontal component of the deposition species flying toward the object to be processed and to enter and deposit in the grooves and holes in the vertical direction. In this regard, for example, a collimator having a plurality of circular holes or honeycomb-shaped through holes in the vertical direction is installed between the target and the object to be processed, and the incidence of the deposition species flying from the target to the object to be processed is regulated. Although a method has been proposed, this method reduces the number of incident deposition species, so that the deposition rate decreases, and clogging causes a depot in the collimator itself, which peels off and enters the processing chamber. There was a possibility of generating contaminating particles.
[0006]
The present invention has been made in view of the above points, and provides a sputtering method and apparatus capable of realizing sputtering with excellent perpendicular anisotropy with respect to an object to be processed, and has a high aspect ratio. The purpose is to ensure accumulation in grooves and holes.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In the conventional sputtering method, a plasma device having a relatively low plasma density, such as a so-called parallel plate type plasma device or a magnetron method, is used, so molecules and atoms that fly from the target and become deposition species are electrically neutral. As a result, the above-mentioned problem has occurred.
Therefore, the present invention basically employs a method of generating plasma at a high density, such as helicon wave plasma, other ECR plasma, inductively coupled plasma, and the deposited species are effectively ionized by the high density plasma. Thus, a configuration is adopted in which light is incident on and deposited on the object to be processed.
[0008]
Specifically, according to the first aspect, the target and the object to be processed are disposed opposite to each other in a processing container configured to be depressurized, and plasma is generated while introducing gas into the processing container, so that deposition from the target is performed. In a sputtering method for depositing a combined deposition species of seeds or particles from a target and the gas on the object to be processed, a plasma is generated in a processing vessel by an antenna means to ionize the combined deposition species to form a plasma region. The target is positioned at least in the plasma region, the object to be processed is positioned near the outside of the plasma region boundary, and the ionization ratio of the combined deposition species passing through the plasma region is neutral. The length from the target to the boundary of the plasma region is set so as to be larger than the seed, and the covered To apply a bias voltage to the sense bodyThe gas is introduced from one side in the axial direction of the processing vessel and exhausted from the other side, and the antenna means is arranged downstream of the gas flow from the target.A sputtering method is provided.
In this case, examples of the plasma generated by the antenna means include helicon wave plasma, ECR plasma, and inductively coupled plasma.
[0009]
In addition, as a reference example of the sputtering method, a target and an object to be processed are placed oppositely in a processing container configured to be depressurized, and plasma is generated while gas is introduced into the processing container to deposit from the target. In the sputtering method of depositing a combined deposition species of seeds or particles from a target and the gas on the object to be processed, the plasma is generated by a helicon wave, the target is located at least in the plasma region, and It is possible to propose a sputtering method in which the object to be processed is positioned near the outside of the plasma region boundary and a bias voltage is applied to the object to be processed.
[0010]
In each of these sputtering methods, as described in claim 2, a magnetic field is formed in the processing container, and the target object side boundary of the plasma region generated in the processing container is regulated so that the target object is It may be configured to be positioned in the vicinity of the outside of the plasma region boundary, or, as described in claim 3, the object side of the plasma region generated in the processing container by the flow of gas flowing in the processing container A boundary may be regulated so that the object to be processed is positioned near the outside of the plasma region boundary. The sputtering method may be configured to form a magnetic field in the processing container and form the plasma region within a range where the magnetic field is formed. In this case, the length from the target to the boundary of the plasma region on the workpiece side may be 10 times the mean free path of the deposition species.
[0011]
Further, as a reference example of the sputtering method, in the sputtering method in which the deposition species from the target or the combined deposition species of the particles from the target and the gas is deposited on the target object by using sputtering using plasma, the plasma is In this high-density plasma, a high-density plasma is used to ionize the deposition species from the target or the combined deposition species of particles from the target and the gas in the high-density plasma, and form the bottom of a fine groove with a high aspect ratio on the surface of the workpiece. It is possible to propose a sputtering method in which a low dielectric constant insulating film or a film of Al, TiN or the like is anisotropically deposited. The bond deposition species in the sputtering method of the present invention may be an insulating film or an Al-based, TiN, Cu-based film.
[0012]
As a reference example of a sputtering method, in a sputtering method in which a deposition species from a target or a combined deposition species of particles from the target and the gas is deposited on an object to be processed using sputtering using plasma, a direct current is applied to a quartz tube. A Si target to which a negative electric potential is applied is provided, and a Si object to which high-frequency power is applied is provided at a position facing the target, and plasma is generated in the quartz tube using helicon wave plasma. The generated plasma is confined within a certain region by a coil magnetic field, the target is set so as to be positioned in the plasma generation region, and the object to be processed is positioned near the outside of the boundary of the plasma region. Introducing a mixed gas of oxygen and argon into the front quartz tube, the groove on the surface of the object to be processed SiO to2A sputtering method for depositing can be proposed.
[0013]
As described in
[0014]
As a sputtering apparatus, first, as described in claim 10, a target and an object to be processed are opposed to each other in a processing container configured to be depressurized, and plasma is generated while introducing a gas into the processing container. In the sputtering apparatus configured to deposit the deposition species from the target or the combined deposition species of particles from the target and the gas on the object to be processed, the processing container is configured in a substantially cylindrical shape, and In order to ionize the bonded deposition species, plasma is generated in the processing vessel by the antenna means to form a plasma region, and the ionization rate of the combined deposition species passing through the plasma region is higher than that of the neutral species. The length from the target to the boundary of the plasma region on the workpiece side is set, and the gas is Is introduced from one axial side of the container arranged to exhaust from the other side, it constitutes the so freely apply a bias voltage to the workpiece,
The antenna means is provided downstream of the gas flow with respect to the target.A sputtering apparatus is provided.
[0015]
Further, as described in
[0016]
The sputtering apparatus of the present invention may include magnetic field forming means for forming a magnetic field on a plane orthogonal to an axis connecting the centers of the target and the object to be processed.
In this case, a yoke is added to the magnetic field forming unit as in claim 13, and the maximum magnetic field generated by the magnetic field forming unit is substantially between the target and the object to be processed as in claim 14. You may set so that it may be located in the center.
[0017]
And in each sputtering apparatus comprised as mentioned above, if equipped with the cooling means which cools a target like Claim 15, or if provided with the cooling means which cools a processed object like Claim 16, Further favorable results are obtained.
[0018]
Regarding the plasma density itself,For example, as a reference example1011cm-3It is more preferable that the plasma having the above electron density is generated. In this case, the plasma may be generated by a helicon wave. The antenna means for generating plasma may be provided inside the processing container. The antenna means may have a loop shape, and the antenna means may have a single loop shape.
Further, when the bonded deposition species to be deposited on the object to be processed is a conductive material, the material of the antenna means may be composed of the same material as the conductive material. The plasma generated by the antenna means may be ECR plasma or inductively coupled plasma.
In the processing container, the object to be processed may be disposed on the upstream side of the gas flow, and the target may be disposed on the downstream side of the gas flow.
As a reference example,Two yokes of the magnetic field forming means may be provided, and may be U-shaped so as to face each other so that the openings face each other across the processing container.
[0019]
[Action]
In the case of claim 1, plasma such as ECR plasma or inductively coupled plasma generated by the antenna means is high-density plasma. Therefore, the deposited species such as molecules and atoms released from the target by sputtering are ionized when passing through the high-density plasma.
Therefore, by applying a bias voltage to the object to be processed, the ionized active species are accelerated in the vertical direction, fly directly toward the object to be processed, and are deposited on the surface of the object to be processed. Further, the deposition rate is not lowered.
In this case, since the object to be processed is positioned near the outside of the plasma region boundary, there is no possibility of being affected by the plasma itself, such as etching.
[0020]
Further, according to the sputtering method of the reference example, since the plasma generated by the helicon wave is used, it is possible to effectively ionize neutral deposition species emitted from the target.
[0021]
According to the second aspect, the object-side boundary of such a plasma region is regulated by the magnetic field formed in the processing container and, in the case of the third aspect, by the gas flow flowing in the processing container. Therefore, it is easy to set a boundary at a predetermined position. In particular, in the case of claim 3, such a boundary is not required, and this is caused by the flow of a normal processing gas introduced into the processing container. It is possible to regulate the boundary of the plasma region on the workpiece side.
[0022]
Further, according to the sputtering method of another reference example, the deposition species from the target or the combined deposition species of the particles from the target and the gas are ionized in the high-density plasma to have a high aspect ratio on the surface of the object to be processed. In addition, since a low dielectric constant insulating film or a film of Al, TiN or the like is anisotropically deposited on the bottom of the fine groove, there is no possibility that voids or the like are generated in the groove after the deposition.
[0023]
According to the sputtering method of still another reference example, sputtered Si has momentum, and ionization is promoted in a high-density helicon wave plasma, and further accelerated by a bias at a right angle to the workpiece. Deposition proceeds from the bottom, and the SiO deposited in the grooves on the surface of the object to be processed2There are no voids.
[0024]
As in
[0025]
According to the sputtering apparatus of the tenth aspect, high-density plasma is generated in the processing container by the antenna means. For example, when the object to be processed is arranged upstream of the gas flow and the target is arranged downstream of the gas flow, the object to be processed is positioned near the boundary outside the plasma region by controlling the gas flow. And a target can be placed in the plasma region.
Therefore, the deposition species from the target or the combined deposition species of the particles from the target and the gas are ionized in the plasma region, while the target object itself can be prevented from being etched by the plasma. Then, by applying a bias voltage to the object to be processed, the ionized deposition species is incident and deposited at right angles to the object to be processed.
[0026]
According to the eleventh aspect of the invention, since the generated plasma is provided to prevent the generated plasma from diffusing at least toward the object to be processed along the axial direction of the processing container, the object to be processed is the plasma. It is possible to locate the target outside the boundary of the region and place the target in the plasma region.
[0027]
According to the twelfth aspect, since the magnetic field forming means for forming a magnetic field is provided on a plane orthogonal to the axis connecting the centers of the target and the object to be processed, the object to be processed is located near the outside of the boundary of the plasma region. And a target can be placed in the plasma region.
In this respect, if the yoke is attached as described in claim 13, the magnetic field intensity can be easily controlled by simple means, and the maximum magnetic field generated by the magnetic field forming means is as in claim 14. If it is set so as to be located substantially at the center between the target and the object to be processed, the plasma will not damage the object to be processed.
[0028]
If the cooling means for cooling the target is provided as in claim 15 or the cooling means for cooling the object to be processed is provided as in claim 16, the temperature of the target or the object is abnormally increased. Therefore, it is possible to perform an appropriate sputtering process.
[0029]
And 1011cm-3When configured to generate plasma having the above electron density, ionization of the deposited species can be performed appropriately, and the proportion of electrically neutral deposited species can be greatly reduced. In this case, if the plasma is generated by a helicon wave, such high-density plasma can be easily obtained.
[0030]
If an antenna means is provided inside the processing vessel, plasma is generated even when the depositing species attached to the inner peripheral wall of the processing vessel adheres to the process of depositing conductive deposition species on the surface of the object to be processed by sputtering. Will not be disturbed.
[0031]
【Example】
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 schematically shows a cross section of a sputtering apparatus 1 according to a first embodiment, and a processing vessel 2 in the sputtering apparatus 1 is as illustrated. It is composed of a substantially cylindrical quartz tube. A workpiece to be processed by sputtering, such as a semiconductor wafer (hereinafter referred to as “wafer”) W, is placed on a conductive susceptor 3 installed at the bottom of the processing container 2, for example, an electrostatic chuck (not shown). ) To be held through.
[0032]
The susceptor 3 constitutes a lower electrode, and a bias voltage from the high frequency power source 4, for example, a high frequency of 100 kHz to 13.56 MHz can be applied via a high frequency power source 4 and a matching device 5 installed outside the processing container 2. It is configured as follows. In addition, an
[0033]
In the vicinity of the bottom of the processing vessel 2, an exhaust pipe 12 that communicates with an
[0034]
On the other hand, an
A predetermined negative bias voltage, for example, a DC voltage of 300 V, is applied to the
[0035]
A processing gas introduction pipe 31 is provided in the vicinity of the upper portion of the processing container 2, and the processing gas introduction pipe 31 is provided with a processing
[0036]
A loop-shaped antenna 41 as shown in FIG. 2 for generating a helicon wave is disposed on the outer periphery of the processing container 2. The antenna 41 is configured to be applied with a high frequency from the high frequency power supply 43, for example, a high frequency of 13.56 MHz, via the
[0037]
On the outer periphery of the processing container 2 between the antenna 41 and the susceptor 3, yokes 51 and 52 having substantially “U” -shaped side surfaces are disposed on the processing container 2 as shown in FIGS. 1 and 2. The
Of course, the present invention is not limited to this, and a yoke having a high magnetic permeability can be appropriately selected and used. As described above, it is not always necessary to prepare two yokes to face each other.
[0038]
The sputtering apparatus 1 according to the present embodiment has the above-described configuration. By using this apparatus, SiO 2 is formed in the high aspect ratio groove D formed on the surface of the wafer W as shown in FIG.2The process of filling the insulating film will be described. First, the inside of the processing container 2 is depressurized by the exhaust means 11, and Ar gas is further supplied from the processing
[0039]
A high frequency bias is applied to the susceptor 3 from the high frequency power source 4, and a DC voltage (negative potential) is also applied to the
On the other hand, the coil coils 53 and 54 are energized to form a magnetic field in a predetermined region in the processing container 2. The magnetic field intensity generated at this time and the positional relationship between the
[0040]
Then, Ar gas particles in the processing gas are dissociated by the plasma and fly toward the
Since the plasma region P is a high-density plasma generated by helicon waves, generated SiO2Is mostly ionized when passing through the plasma region P. On the other hand, since the wafer W, which is the object to be processed, is biased by the high-frequency power source 4, this deposited species SiO2Is accelerated toward the wafer W in the vertical direction.
[0041]
Therefore, as shown in FIG.2Enters the groove D formed on the surface of the wafer W in the vertical direction and accumulates from the bottom.
Therefore, even if the depth of the groove D is large and the opening has a small high aspect ratio, it can be deposited from the bottom, so that the embedded SiO2There is no risk of voids. Further, since no collimator is used, the deposition rate does not decrease.
[0042]
In view of the ionization process of the deposited species in the treatment, it is necessary to promote the ionization of the deposited species while passing through the plasma region to increase the proportion of the deposited species ionized. Since the width of the plasma region P (the length in the axial direction of the processing vessel 2) can be appropriately set by 51 and 52, it is possible to sufficiently realize such ionization.
In that case, the width of the plasma region P (the length in the axial direction of the processing vessel 2), more precisely, the length in the axial direction from the
[0043]
Further, as shown in FIG. 1, the wafer W, which is the object to be processed, is not located in the plasma region P, and therefore is not exposed to the plasma, and the groove D itself on the surface of the wafer W is caused by the plasma. It will not be etched.
Since a bias voltage is applied to the wafer W by the high frequency power source 4, even if deposition species that are not ionized are deposited on the peripheral edge of the opening of the groove D, they can be scraped off. Therefore, it is possible to deposit the deposition species in the groove D without impeding the incidence of the deposition species into the groove D and without generating voids.
[0044]
In the above treatment, the deposited species is SiO.2In the groove D formed on the surface of the wafer W, SiO2However, of course, the sputtering apparatus 1 can be applied to other processes by changing the type of processing gas and target.
For example, Ar gas and N are used as the processing gas while Si is used for the target 22.2If mixed gas with gas is used, Si used for contact holes, etc.3N4Can be deposited in the grooves and holes on the surface of the object to be processed. If Ti is used for the
In any case, the aforementioned SiO2As in the case of, a deposition process with a high incidence rate in the vertical direction can be carried out, and Si and Si are introduced into the grooves and holes from the bottom.3N4TiN can be embedded. Therefore, even if these grooves and holes have a high aspect ratio, a deposition process without voids can be performed.
[0045]
Other, for example, C as a processing gas4F8, CF4If a CF-based gas such as+Can be vertically incident on the object to be processed to perform a corresponding deposition process. In this case, it is preferable that the power of the bias voltage applied to the object to be processed is smaller than that of the above-described embodiment.
[0046]
For example, when performing a process of depositing and embedding an Al-based or Cu-based conductive material in, for example, a groove or hole on the surface of the wafer W, the antenna 41 in the sputtering apparatus 1 according to the embodiment is disposed inside the processing container 2. The material of the antenna 41 may be made of the same material as these conductive materials. Then, even if an Al-based or Cu-based conductive material adheres to the inner surface of the processing container 2 or the antenna 41 itself, high-density plasma is generated in the processing container 2 without impairing the function of the antenna 41. Is possible.
[0047]
In the sputtering apparatus 1 according to the above embodiment, the yokes 51 and 52 are used to regulate the plasma region P. However, the present invention can be implemented without using such means.
FIG. 6 schematically shows an outline of the configuration of the sputtering apparatus 61 according to the second embodiment having a configuration without such a yoke. The processing vessel 62 of the sputtering apparatus 61 has a diameter of 60 mm and a length. An
[0048]
An
[0049]
On the other hand, in the lower part of the quartz tube 63, a lower electrode 81 having an
[0050]
On the outer periphery of the quartz tube 63, an
[0051]
The sputtering apparatus 61 according to the second embodiment has the above-described configuration, and next, SiO is formed in the groove formed on the surface of the wafer W.2The process for depositing Ar will be described. As a processing gas in the quartz tube 63, Ar gas is 80%, O 2.2Gas is introduced at a rate of 20%, and the degree of vacuum in the quartz tube 63 is set to 5 mmTorr. Then, the magnetic field intensity by the
[0052]
Then, as shown in FIG. 6, the quartz tube 63 has a high density (1 × 10 6).12cm-3), The Ar gas and O introduced from the
[0053]
And if sputtering is carried out in this state, SiO, which is a deposited species, as in the case of the sputtering apparatus 1 described above.2Is ionized while passing through the plasma region P, accelerated in the vertical direction, and incident and deposited in the grooves on the surface of the wafer W.
When the Si semiconductor wafer was actually processed using the sputtering apparatus 61 under the above operating conditions, for example, a void-free SiO2 with respect to a groove having a width of 1.2 μm and a depth of 3 μm.2Was able to be embedded. In this case, the deposition rate was about 1000 angstroms / minute. Therefore, the SiO in the high aspect ratio groove described above can be obtained without sacrificing the deposition rate.2Can be embedded without voids.
[0054]
In addition, the bias voltage applied to the lower electrode 81 when realizing such an action may be as low as 50 V, and therefore there is no possibility of damaging the wafer W.
[0055]
Each of the above embodiments was an example in which a semiconductor wafer was selected as the object to be processed and sputtering was performed. However, for example, the present invention can be applied to other objects to be processed, such as an LCD substrate. Applicable.
[0056]
【The invention's effect】
According to the first to ninth aspects, deposition species such as molecules and atoms released from the target by sputtering are ionized when passing through the high-density plasma, and are accelerated in a direction perpendicular to the object to be processed. Then, it flies directly toward the object to be processed and is deposited on the surface of the object to be processed. Therefore, deposition species can be deposited from the bottom of the fine grooves and holes formed on the surface of the object to be processed, and no voids are generated in these grooves and holes after the deposition. Therefore, for example, there is no possibility that a wiring defect such as a connection failure or insulation failure occurs in a fine pattern or a minute contact hole inside the wafer. Moreover, the deposition rate is improved without generating a deposit even when compared with a method using a conventional collimator. Of course, the object itself is not likely to be damaged by the plasma.
[0057]
In particular, when a helicon wave is used for the plasma, the rate of ionization increases, and the vertical incidence rate of the active species is further improved.
[0058]
According to the second and third aspects, the regulation of the boundary of the plasma region on the workpiece side can be controlled, and an appropriate installation position of the workpiece can be set without causing a decrease in the deposition rate. In particular, in the case of claim 4, it becomes possible to regulate the object-side boundary of the plasma region by the flow of the normal processing gas introduced into the processing container without providing any special boundary controlling means. Therefore, when configured as a device, it can be simplified accordingly.
[0059]
In addition, since a low dielectric constant insulating film or a film of Al, TiN, etc. is anisotropically deposited on the bottom of a fine groove having a high aspect ratio on the surface of the object to be processed, voids are formed in the groove after the deposition. There is no risk of such a problem.
[0060]
Void-free SiO2 from the bottom of fine grooves with high aspect ratio on the workpiece surface2Can be deposited.
[0061]
According to the sixth aspect, it is possible to increase the ionization ratio of the deposition species that pass through the plasma, and as a result, it is possible to further improve the ratio of the deposition species that are incident and deposited at a right angle on the workpiece.
[0062]
Of the present inventionAccording to the sputtering apparatus, it is possible to deposit the deposition species at a right angle to the surface of the object to be processed without causing damage to the object to be processed, etching, or the like. Therefore, the deposited species can be deposited from the bottom of the grooves and holes formed on the surface of the object to be processed. Etc. can be filled.
[0063]
In particular, according to
[0064]
If a cooling means for cooling the target is provided as in claim 15 or a cooling means for cooling the object to be processed is provided as in claim 16, an abnormal increase in the temperature of the target or the object is suppressed. Thus, an appropriate sputtering process can be performed.
[0065]
The present inventionAccording to the above, ionization of deposition species is appropriately performed, and the proportion of electrically neutral deposition species can be greatly reduced, and sputtering with excellent perpendicular anisotropy can be performed.
[0066]
If the antenna means is provided inside the processing container, even when such a depositing species adheres to the inner peripheral wall of the processing container when performing the process of depositing the conductive depositing species on the surface of the object to be processed by sputtering. Does not interfere with plasma generation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a cross section of a sputtering apparatus according to a first embodiment of the present invention.
2 is an explanatory plan view showing a planar form of an antenna in the sputtering apparatus of FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional explanatory view of a high aspect ratio groove formed on the surface of a semiconductor wafer that is an object to be processed;
4 is a graph showing the magnetic field strength between the target and the wafer in the sputtering apparatus of FIG. 1. FIG.
5 shows SiO 2 in the groove of FIG. 3 using the sputtering apparatus of FIG.2It is sectional explanatory drawing which shows a mode that is incident and deposited.
FIG. 6 is an explanatory view schematically showing a cross section of a sputtering apparatus according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Sputtering equipment
2 processing container
3 Susceptor
4 High frequency power supply
6, 26 Cooling space
9 Exhaust pipe
11 Exhaust means
21 Upper electrode
22 Target
27 DC power supply
31 Processing gas introduction pipe
36, 37 Process gas supply source
41 Antenna
43 High frequency power supply
51, 52 York
53, 54 coils
W wafer
Claims (22)
前記結合堆積種をイオン化させるためにアンテナ手段によって処理容器内にプラズマを発生させてプラズマ領域を形成するようにし，前記ターゲットは少なくとも当該プラズマ領域内に位置させ、前記被処理体は当該プラズマ領域境界外方近傍に位置させ，さらに前記プラズマ領域を通過する前記結合堆積種のイオン化割合が中性種よりも多くなるように前記ターゲットから当該プラズマ領域の境界までの長さを設定すると共に、前記被処理体にはバイアス電圧を印加させ、
前記ガスは前記処理容器の軸方向一側から導入して他側から排気され、前記アンテナ手段は、前記ターゲットよりも前記ガス流の下流側に配置されることを特徴とする、スパッタリング方法。A target and an object to be processed are disposed oppositely in a processing container configured to be depressurized, and plasma is generated while introducing a gas into the processing container, so that the deposition species from the target or particles from the target and the gas are generated. In a sputtering method for depositing a bonded deposition species on the object to be processed,
In order to ionize the combined deposition species, plasma is generated in a processing container by an antenna means to form a plasma region, the target is positioned at least in the plasma region, and the object to be processed is bounded by the plasma region boundary. The length from the target to the boundary of the plasma region is set so that the ionization ratio of the combined deposition species passing through the plasma region is greater than that of the neutral species. A bias voltage is applied to the processing body ,
The gas is introduced from one side in the axial direction of the processing vessel and exhausted from the other side, and the antenna means is arranged on the downstream side of the gas flow with respect to the target .
前記処理容器を略円筒形に構成すると共に、前記結合堆積種をイオン化するためにアンテナ手段によって前記処理容器内にプラズマを発生させてプラズマ領域を形成するようにし、前記プラズマ領域を通過する前記結合堆積種のイオン化割合が中性種よりも多くなるように前記ターゲットから前記プラズマ領域の前記被処理体側の境界までの長さを設定し，さらに前記ガスはこの処理容器の軸方向一側から導入して他側から排気するように構成し、前記被処理体に対してバイアス電圧を印加自在となるように構成し，
前記アンテナ手段は，前記ターゲットよりも前記ガス流の下流側に設けられていることを特徴とする、スパッタリング装置。In a processing container configured to be depressurized, a target and an object to be processed are arranged to face each other, plasma is generated while introducing gas into the processing container, and the deposition species from the target or the particles from the target and the In a sputtering apparatus configured to deposit a combined deposition species with a gas on the object to be processed,
The processing vessel is configured in a substantially cylindrical shape, and plasma is generated in the processing vessel by an antenna means to ionize the combined deposition species to form a plasma region, and the coupling that passes through the plasma region. The length from the target to the boundary of the plasma region on the target object side is set so that the ionization ratio of the deposited species is greater than that of the neutral species, and the gas is introduced from one axial side of the processing vessel. And configured to exhaust from the other side, configured to be able to freely apply a bias voltage to the object to be processed ,
The said antenna means is provided in the downstream of the said gas flow rather than the said target , The sputtering device characterized by the above-mentioned .
前記アンテナ手段の材質は，導電性物質と同一の物質で構成されていることを特徴とする，請求項１８に記載のスパッタリング装置。 The sputtering apparatus according to claim 18, wherein the antenna means is made of the same material as the conductive material.
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