JP4880495B2

JP4880495B2 - 成膜装置

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Publication number: JP4880495B2
Application number: JP2007044330A
Authority: JP
Inventors: 聡豊田; 久三中村; 三郎清水; 徳康佐々木; 周司小平; 吉宏岡村
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2027-02-23
Also published as: JP2008208398A

Description

本発明は、基板上に配線を形成するのに際して、ホールやトレンチを含む基板の表面領域に形成される導電性被覆膜の、ホールやトレンチ形状の開口部のオーバーハング（張り出し(Overhung)）又は基板のエッジ部の非対称性を改善する成膜装置に関するものである。

近年の半導体構造の微細化に伴い、被覆膜の形状改善にさまざまな手法が用いられてきた。例えば、基板の表面の形状や状態を改善するための技術として、半導体やセラミックス或いは多層膜の基板の表面に加速したイオンを照射して基板を構成している原子を表面よりはじき出し即ちスパッタリングして表面の形状を変えたり表面を研磨するイオンミリング法が知られている。このイオンミリング法において用いるイオンは一般的には不活性ガスのアルゴンであり、基板表面へのイオンの入射角度は数度〜２０度程度であり、加速電圧は数ｋＶである。イオン照射による基板表面層の組成変化やアモルファス化を抑えるためにイオン種の変更や基板へのイオンの入射角度及び加速電圧をより低くするなど、それぞれの基板に対して最適な薄膜形成条件を選定して実施されている。このイオンミリング法はまた、化学研磨や電解研磨の後の薄膜試料表面の不純物層を除去するためにも利用されている。また最近では、中性原子を用いたアトムミリング法も用いられており、シリコン等の半導体試料の調製に有効に利用されている。

この種の先行技術の一例として、ターゲットをスパッタリングして基板表面に薄膜を形成する際に、基板表面に横方向から（基板面に対して０°〜３０°の角度、即ち６０°〜９０°の入射角の範囲で）イオンビームを照射し、基板に形成された微細構造溝即ちトレンチの開口縁部に堆積したスパッタリング粒子を除去し、配線薄膜を形成できるようにしたものが知られている（特許文献１参照）。

また、別の先行技術としては、半導体基板上に層間絶縁膜を形成し、配線溝を形成し、かかる配線溝内にＣｕを堆積して埋め込み、ＣＭＰ（化学機械研磨chemical mechanical polishing）法などにより層間絶縁膜上のCu導電膜を除去して配線溝内にCu配線を形成する方法、及び半導体基板上に形成した層間絶縁膜上に有機化合物膜を形成し、該有機化合物膜に貫通する配線溝を形成し、配線溝にＣｕ配線材料を埋め込んで配線層を形成し、有機化合物膜上のＣｕ配線材料をＣＭＰ法やＲＩＥ法によって除去し、そして有機化合物膜を除去してＣｕ配線を形成する方法が知られている（特許文献２参照）。

さらにまた、基板表面に形成したＣｕ層上に、形成すべきＣｕ配線に相応したマスクを形成し、マスクで覆われていないＣｕ層を、プラズマでヨウ素を含む反応性ガスを分解してヨウ素とＣｕとを反応させて、Ｃｕｌｘを生成し、こうして生成されたＣｕｌｘを洗浄処理することでＣｕ配線を形成する方法も知られている（特許文献３及び特許文献４参照）。

特開平１１−１４０６４０公開特許公報特開２０００−１２４２１８公開特許公報特開２００４− ６４４１公開特許公報特開２００４− ６４４３公開特許公報

基板にＲＦ又はＤＣバイアス電力を印加することによって、イオンを基板に引き込み、被覆膜の形状を所望の形状に改善する公知の技術においては、基板のバイアス電位はたかだか１５０Ｖ程度までである。

基板上に下層としてＴｉ膜を厚さ１０ｎｍに形成し、その上にＣｕ層を厚さ４５ｎｍに形成し、５５〜６０ｎｍの微細溝（トレンチ）を備えた試料と、基板上にＴｉ膜を厚さ３０ｎｍに形成し、５５〜６０ｎｍの微細溝（トレンチ）を備えた試料とを用意し、この試料に対してイオンミリング法を用いてＴｉ層及びＣｕ層の形状変化を観察した。この場合、加速電圧は２００ｅＶにし、照射イオンとしてはアルゴンイオンを使用し、イオン電流密度は０．４ｍＡ／ｃｍ^２である。前者の試料では、トレンチにおけるオーバーハングの形状も開口幅も変化なかった。一方後者の試料ではＴｉ層に対してトレンチの開口縁部のエッチングは進んだが鋭角的な開口エッチング形状は得られなかった。このことから、加速電圧２００ｅＶ程度の低エネルギーのアルゴン粒子では、Ｃｕ被覆膜に対してトレンチの開口部のオーバーハングの形状及び開口幅を変えることができず、またＴｉ被覆膜ではトレンチの開口部の鋭角的な開口エッチング形状が得られないことがわかった。

また、半導体集積回路の高性能化の要求が高まるにつれて、デバイスの微細化が進み、配線の更なる微細化も急速に必要とされてきている。しかし従来提案されている方法や装置構成では将来の微細構造に対応できないことが指摘されつつある。

このように、上記で挙げた各特許文献に提案されている先行技術による方法及び装置では、現状で要求されている配線の微細化より更に高い微細構造には必ずしも対処できないだけでなく、処理工程の数が多く、装置の構造が複雑であるため、配線形成に手間がかかり、コストが高くなるという問題がある。特に、微細化の進む半導体集積回路における配線の形成において、従来のスパッタリング法により被覆膜を形成する場合にビアホールやトレンチの開口縁部におけるオーバーハングや非対称性を簡単かつ低コストで如何に改善できるようにするかが重要である。

本発明は、半導体構造の微細化に対応でき、しかも基板上に形成した被覆膜におけるビアホールやトレンチの開口部におけるオーバーハングや非対称性を改善できる成膜装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明は、基板上の凹部に成膜し、前記成膜にイオンを照射するように構成された成膜装置であって、
処理室と、
前記処理室内に配置された基板ステージ及びカソード電極と、
前記基板ステージに対向する位置に配置されたイオン源と、
前記イオン源の放電容器内に設けられたガス導入口と、
イオンを３００ｅＶ〜１００００ｅＶのイオンエネルギーに加速する電源と有し、
前記カソード電極が前記基板ステージに装着された基板に対して斜めに対向して配置されていること
を特徴としている。

本発明による成膜装置においては、基板上の凹部に成膜し、成膜にイオンを照射するように構成され、処理室と、前記処理室内に配置された基板ステージ及びカソード電極と、基板ステージに対向する位置に配置されたイオン源と、イオン源の放電容器内に設けられたガス導入口と、イオンを３００ｅＶ〜１００００ｅＶのイオンエネルギーに加速する電源とを有し、前記カソード電極が前記基板ステージに装着された基板に対して斜めに対向して配置されていることにより、オーバーハング及び非対称性の形状を改善することができるようになると共に、装置を単一装置として構成することができ、小型でコンパクトな装置を提供できるようになる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１には、イオンミリング装置及びＳＩＳ（自己イオン化スパッタリングＳｅｌｆＩｏｎｉｚｅｄＳｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）装置を含む成膜装置の一実施形態を成す配線形成用システムを示し、図示装置は搬送室１と、搬入室２と、三つのＳＩＳ室３、４、５と、三つのイオンミリング室６、７、８と、搬出室９とを備えている。搬入室２、ＳＩＳ室３、４、５及びイオンミリング室６、７、８はそれぞれそれぞれゲートバルブを介して搬送室１に接続されている。

各ＳＩＳ室３、４、５は、図２に示すように真空チャンバー１０から成り、この真空チャンバー１０の内部にはターゲット１１が搬送室１から搬入される配線を形成すべき基板１２に対向する位置に配置されている。ターゲット１１はＣｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１種類以上を含むターゲットであり、ＤＣ電源１３に接続されている。ターゲット１１の背面側において真空チャンバー１０の外側には、スパッタリングを効率的にするためのマグネトロン１４が配置され、このマグネトロン１４は、回転駆動装置１５によって回転される磁気ヨーク部材１６と、この磁気ヨーク部材１６に支持された磁石１７とを備えている。磁石１７は真空チャンバー１０内に磁場を発生し、電子を捕捉させて中性の原子に対してイオンの密度を増加させ、ターゲット１１の表面近傍に高密度プラズマ領域を形成している。

また、真空チャンバー１０にはガス導入口１８が設けられ、流量調整弁１９を介して図示していないガス供給源に接続され、このガス供給源は酸素及び窒素ガスを真空チャンバー１０内に供給する。また、真空チャンバー１０は排気口２０を介して図示していない適当な排気消系に接続され、装置の動作時には真空チャンバー１０内を所望の真空度にできるようにしている。基板１２は基板ステージ２１上に装着され、そしてバイアス電源２２に電気的に接続され、ＲＦ又は直流バイアスが印加される。

また、各イオンミリング室６、７、８は、図３に示すように、真空チャンバー３０から成り、この真空チャンバー３０の内部には、高周波放電型のイオン源３１が搬送室１から搬入される基板１２に対向する位置に配置されている。イオン源３１は放電容器３２及び高周波コイル３３を備え、この高周波コイル３３はＲＦ電源３４に接続されている。また、高周波コイル３３の下方には励磁コイル３５が設けられている。更に、イオン源３１は加速及び引き出し電極３６を備え、これらの加速及び引き出し電極３６はイオンを３００ｅＶ〜１００００ｅＶのイオンエネルギーに加速する直流電源３７に接続されている。イオン源３１の放電容器３２内にはガス導入口３８を介してアルゴン又はネオンガスを供給するように構成されている。なお、図３において基板１２上に示されている角度αは、イオンが基板１２の表面に対して入射する際の入射角αであり、本発明では０°〜３０°の範囲で設定される。

図４には、イオンミリング装置及びＳＩＳ装置を含む成膜装置の別の実施形態を示し、図示装置では、イオンミリング装置及びＳＩＳ装置が同一真空チャンバー４０内に設けられている。すなわち、真空チャンバー４０内には、ＳＩＳ装置を成すカソード電極４１及びその上に装着されたターゲット４２が基板ステージ４３に装着された基板４４に斜めに対向して配置され、カソード電極４１はＤＣ電源４５に接続され、動作時にターゲット４２にバイアスが掛かるようにされている。基板４４は基板ステージ４３上に装着され、そしてバイアス電源４６に接続され、ＲＦ又は直流バイアスが印加されるように構成されている。ターゲット４２は図１〜図３に示す実施形態に関して例示したものと同様に、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１種類を含むターゲットである。

また、真空チャンバー４０内には、イオンミリング装置を成すイオン源４７が基板ステージ４３に装着された基板４４に対向して配置され、基板４４の表面に対して０°〜３０°の範囲で設定される入射角αでイオンを照射できるようにされている。イオン源４７は放電容器４８及び高周波コイル４９を備え、この高周波コイル４９はＲＦ電源５０に接続されている。また、高周波コイル４９の下方には励磁コイル５１が設けられている。更にイオン源４７は加速及び引き出し電極５２を備え、これらの加速及び引き出し電極５２はイオンを３００ｅＶ〜１００００ｅＶのイオンエネルギーに加速する直流電源５３に接続されている。イオン源４７の放電容器４８内にはまたガス導入口５４を介してアルゴン又はネオンガスを供給するように構成されている。なお、図４において５５は酸素及び窒素ガスを真空チャンバー４０内に導入するためのガス導入口である。

このように構成した図示装置を用いてＣｕ／Ｔｉ被覆層における形状の変化について実施した実験例について説明する。

図５には、基板上に下層としてＴｉ層を１０ｎｍの厚さに形成し、その上にＣｕ層を１５０ｎｍの厚さに形成し、孔径０．２μｍ、アスペクト比約２のトレンチを備えた試料について、イオン加速電圧３００ｅＶ、イオン電流５０ｍＡに設定して時間の経過、０秒、１５秒後、３０秒、４５秒後の膜の形状の変化を示している。トレンチの底部の非対称性の改善が認められた。

図６には、基板上に下層としてＴｉ層を１０ｎｍの厚さに形成し、その上にＣｕ層を１５０ｎｍの厚さに形成し、孔径０．２μｍ、アスペクト比約２のビアホールを備えた試料について、イオン加速電圧１０００ｅＶ、イオン電流５０ｍＡに設定して時間の経過、０秒、８秒後、１５秒後、３０秒後の膜の形状の変化を示している。この例では適切な照射時間において非対称性及び開口部の形状の改善が認められた。

図７には、図５の場合と同様に基板上に下層としてＴｉ層を１０ｎｍの厚さに形成し、その上にＣｕ層を１５０ｎｍの厚さに形成し、孔径０．２μｍ、アスペクト比約２のビアホールを備えた試料について、イオン加速電圧２０００ｅＶ、イオン電流５０ｍＡに設定して時間の経過、０秒、１５秒後、３０秒後、６０秒後の膜の形状の変化を示している。この例では非対称性及び開口部の形状の大幅な改善が認められた。

図８には、図７の場合と同様な条件の下で用意した試料について、イオン加速電圧２０００ｅＶ、イオン電流５０ｍＡに設定して試料に対してイオンを入射角α＝３０度で３０秒照射した時の結果を示している。

図９には、図５の場合と同様に基板上に下層としてＴｉ層を１０ｎｍの厚さに形成し、その上にＣｕ層を１５０ｎｍの厚さに形成し、孔径０．２μｍ、アスペクト比約２のビアホールを備えた試料について、イオン加速電圧３０００ｅＶ、イオン電流５０ｍＡに設定して時間の経過、２０秒、４０秒後、６０秒後、９０秒後の膜の形状の変化を示している。この例では非対称性及び開口部の形状の大幅な改善が認められ、ボトムカバレジが保持されている。

図１０には種々のイオンエネルギー及び照射時間とカバレジとの相関関係を示している。この図からイオンエネルギーが大きくなると、開口部の形状が改善され、ビアホール内部のエッチングは少ないことが認められる。

以上の実験例から照射すべきイオンのイオンエネルギーが２００ｅＶ以下ではオーバーハングが除去できず、一方、１００００ｅＶ以上ではオーバーハングが除去できるが、照射された成膜に表面荒れが発生する。従って、本発明では照射すべきイオンのイオンエネルギーを３００ｅＶ〜１００００ｅＶの範囲で選定することにより、基板上に形成したトレンチ、ビアホール或いはコンタクトホールのような凹部におけるオーバーハング及び縁部の非対称性を十分に改善することができることが確認された。

ところで図１〜図３に示す実施形態ではＳＩＳ室とイオンミリング室は同数設けているが、必ずしも同数である必要はなく、必要に応じて任意に設定することができる。

イオンミリング装置及びＳＩＳ（自己イオン化スパッタリングＳｅｌｆＩｏｎｉｚｅｄＳｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）装置を含む成膜装置の本発明の一実施形態を示す概略図。図１におけるＳＩＳ装置の構成例を示す概略図。図１におけるイオンミリング装置の構成例を示す概略図。イオンミリング装置及びＳＩＳ装置を含む成膜装置の本発明の別の実施形態を示す概略図。図示装置を用いて実施した実験例を示す断面図。図示装置を用いて実施した別の実験例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。図示装置を用いて実施した別の実験例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。図示装置を用いて実施した別の実験例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。図示装置を用いて実施した別の実験例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。図示装置を用いて実施した別の実験例を示す断面図。

符号の説明

１：搬送室
２：搬入室
３、４、５：ＳＩＳ室
６、７、８：イオンミリング室
１０：真空チャンバー
１１：ターゲット
１２：配線を形成すべき基板
１３：ＤＣ電源
１４：マグネトロン
１５：回転駆動装置
１６：磁気ヨーク部材
１７：磁石
１８：ガス導入口
１９：流量調整弁
２０：排気口
２１：基板ステージ
２２：バイアス電源
３０：真空チャンバー
３１：イオン源
３２：放電容器
３３：高周波コイル
３４：ＲＦ電源
３５：励磁コイル
３６：加速及び引き出し電極
３７：直流電源
３８：ガス導入口
４０：真空チャンバー
４１：カソード電極
４２：ターゲット
４３：基板ステージ
４４：基板
４５：ＤＣ電源
４６：電源
４７：イオン源
４８：放電容器
４９：高周波コイル
５０：ＲＦ電源
５１：励磁コイル
５２：加速及び引き出し電極
５３：直流電源
５４：ガス導入口
５５：ガス導入口

Claims

基板上の凹部に成膜し、前記成膜にイオンを照射するように構成された成膜装置であって、
処理室と、
前記処理室内に配置された基板ステージ及びカソード電極と、
前記基板ステージに対向する位置に配置されたイオン源と、
前記イオン源の放電容器内に設けられたガス導入口と、
イオンを３００ｅＶ〜１００００ｅＶのイオンエネルギーに加速する電源と有し、
前記カソード電極が前記基板ステージに装着された基板に対して斜めに対向して配置されていること
を特徴とする成膜装置。