JP5265309B2 - スパッタリング方法 - Google Patents

Description

本発明は、スパッタリング方法に関し、より詳しくは、高アスペクト比の微細ホールに対して高いボトムカバレッジ率で成膜できるものに関する。

半導体デバイスの製作工程においては、各種配線膜の形成や異種層の相互拡散を防止するバリア膜の形成にスパッタリング（以下、「スパッタ」という）装置を用いることが一般に知られており、この種のスパッタ装置には、近年の配線パターンの微細化に伴い、高アスペクト比の微細ホールに対して高いボトムカバレッジ率（ホールの周囲の面への成膜速度に対するホール底面への成膜速度の比）を達成できることが強く要求されている。

ボトムカバレッジ率を向上し得るスパッタ装置として、Ｃｕ、ＴａやＴｉ等の金属材料からなるスパッタ粒子をイオン化して成膜に利用する所謂イオン化スパッタ装置が例えば特許文献１で知られている。

上記特許文献１のものでは、ターゲットに電力投入するスパッタ電源として、周波数が１３．５６ＭＨｚで出力８〜１０ｋＷの高周波電源（高周波スパッタを行う電源としてはかなり大出力のもの）を使用し、導入されたＡｒなどのスパッタガスにスパッタ放電を生じさせてターゲットと基板との間の空間にプラズマを発生させる。そして、ターゲットから放出されたスパッタ粒子をプラズマ中でイオン化すると共に、基板を保持するステージに高周波バイアス電力を投入してイオン化されたスパッタ粒子を基板に引き込んで入射させる。

ここで、高周波電源を用いたスパッタ装置では、高周波電源から出力周波数（例えば６０ＭＨｚ）を高めれば、それに伴ってプラズマが高密度化することが一般に知られている。このことから、このように周波数を高めることを上記特許文献１記載のものに適用して、一層高密度化されたプラズマによりイオン化されるスパッタ粒子の量（イオン化率）を増加させ、更なるボトムカバレッジ率の向上を図ることが考えられる。

然し、このような高出力、高周波数の高周波電源では、出力を効率よくプラズマ負荷に供給するために入力インピーダンスと負荷インピーダンスとを整合させる高性能なインピーダンス整合器が必要となり、装置構成が複雑になると共に装置自体のコスト高を招来するという問題がある。
特開２００７−１９７８４０号公報

そこで、本発明は、以上の点に鑑み、高アスペクト比の微細ホールに対して高いボトムカバレッジ率で成膜できるスパッタリング方法を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明のスパッタリング方法は、真空チャンバ内で処理すべき基板の保持を可能とするステージと、前記ステージに対向配置されたターゲットと、前記ターゲットに直流電力を投入する第１のスパッタ電源と、前記ステージで保持された基板に高周波電力を投入する第２のスパッタ電源と、前記真空チャンバ内にスパッタガスを導入するガス導入手段とを備え、両スパッタ電源から電力投入すると、ターゲット側の直流プラズマと、基板側の高周波バイアスプラズマとが重畳されたプラズマが前記ターゲットと基板との間に発生するように、ターゲット及び基板を近接配置したスパッタリング装置を用い、ステージで基板を保持させた状態で真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、前記第１及び第２の各スパッタ電源から電力投入してプラズマ雰囲気を形成し、金属製のターゲットをスパッタリングして基板に成膜するスパッタリング方法であって、スパッタリング中、真空チャンバ内の圧力が１０〜３０Ｐａに保持されるようにスパッタガスを導入することを特徴とする。

本発明によれば、１０〜３０Ｐａの圧力範囲下で第１及び第２の両スパッタ電源から電力投入すると、ターゲット及び基板間に重畳した高密度プラズマが発生し、イオンシース領域が基板近傍に存するようになる。そして、ターゲットから放出されたスパッタ粒子が高密度プラズマで一層効率よくイオン化され、ステージに高周波バイアス電力を投入することで基板近傍のイオンシース領域からイオン化されたスパッタ粒子が引き出される。このとき、この引き出されたスパッタ粒子は、イオン化され、イオンシース領域及び基板間の間隔が短いため、基板に略垂直に入射されるようになる。

このことから、本発明のスパッタ法をコンタクトホールの底面にバリア膜を形成することに適用すれば、高アスペクト比の微細ホールに対して高いボトムカバレッジ率で成膜できるようになる。また、本発明のスパッタ法は、スパッタガスと共に所定の反応性ガスを導入して反応性スパッタにより成膜する場合にも適用できる。尚、１０Ｐａより低い圧力では、高いボトムカバレッジ率で成膜することができず、他方、３０Ｐａより高い圧力では、スパッタ放電を継続させることができない。

また、上記スパッタ法によれば、ターゲットから基板に転写されるが如くスパッタ粒子が基板に到達するようになるため、ターゲットの寸法を小さくしても基板の外周縁部までその全面に亘って均一な膜厚で形成できる。しかも、ターゲットを小さくできることで、真空チャンバの容積や、ターゲット及び基板間の空間を囲う防着板の面積を小さくでき、結果として、装置の初期コストやランニングコスト低減にも寄与する。

なお、本発明においては、前記金属製のターゲットがＣｕ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、ＷまたはＴａの単体金属、またはこれらの中から選択された二種以上の合金から構成される場合に最適である。

以下、図面を参照して、処理すべき基板Ｓとして、シリコンウエハ等の基板に形成した絶縁膜に高アスペクト比の微細ホールが形成されているものを用い、この微細ホールに対して高いボトムカバレッジ率で成膜できる本発明のスパッタ装置Ｍについて説明する。

図１に示すように、スパッタ装置Ｍは、所定容積の真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の底部近傍の側壁には、図示省略の排気管を介して真空ポンプが接続され、所定圧力（例えば１０^−５Ｐａ）まで真空引きして保持できるようになっている。

真空チャンバ１の上部には、カソードユニットが設けられている。カソードユニットは、スパッタ室１ａを臨むように配置され、基板Ｓの外形より一回り大きい外形（例えば、平面視で円形）のターゲット２を有する。ターゲット２は、Ｃｕ、ＴａやＴｉなどの金属製のものであり、基板Ｓ表面に成膜しようとする薄膜の組成に応じて公知の方法でそれぞれ作製されている。

ターゲット２は、スパッタリング中、ターゲット２を冷却するバッキングプレート３にインジウムやスズなどのボンディング材を介して接合され、バッキングプレート３にターゲット２を接合した状態で絶縁板４を介して真空チャンバ１に装着される。このようにターゲット２を装着した後、ターゲット２の周囲には、グランド接地されたアノードとしての役割を果たす図示省略のシールドが取付けられる。また、ターゲット２には、真空チャンバ１外に配置される第１のスパッタ電源たる直流電源５からの出力が接続され、負の直流電圧（投入電力が、１〜３０ｋＷの範囲）が印加できるようになっている。

ターゲット２の後方（図１中、スパッタ面と反対の上側）には、公知の構造の磁石ユニット６が設けられ、ターゲット２の前方（スパッタ面側たる下側）に、釣り合った閉ループのトンネル状の磁束を形成してターゲット２の前方で電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子を捕捉することで、ターゲット２前方での電子密度を高くしてプラズマ密度を高くできるようにしている。

真空チャンバ１の底部には、ターゲット２に対向した位置で基板Ｓを保持するステージ７が絶縁材料７ａを介して設けられている。ステージ７の基板載置面たる上面には、図示省略の静電チャックが設けられ、この静電チャックにより基板Ｓが位置決めされた後、吸着保持される。また、ステージ７には、第２のスパッタ電源たる高周波電源８からの出力が接続され、基板Ｓに高周波バイアス電圧を印加できる。高周波電源８としては、周波数が１３．５６ＭＨｚで、その出力が０．１〜２．０ｋＷである既存のものが用いられる。

ここで、ターゲット２とステージ７（ひいては基板Ｓ）とは、スパッタガス雰囲気中で両スパッタ電源５、８から電力投入したときに、ターゲット２側の直流プラズマと、基板Ｓ側の高周波バイアスプラズマとが重畳するように近接配置されている。このように重畳したプラズマをターゲット２及び基板Ｓ間に発生するために、本実施の形態においては、両者の間隔Ｄを４０〜７０ｍｍの範囲に設定されている。なお、前記間隔Ｄを変更自在とするために、ステージ２に、直動モータ付きの昇降手段（図示せず）設けるようにしてもよい。

このように本実施の形態のスパッタ装置Ｍによれば、既存のスパッタ電源を利用して簡単な構成でターゲット２及び基板Ｓ間に発生するプラズマを高密度化できる。なお、上記スパッタ装置Ｍにおいて、上記間隔が４０ｍｍより小さいと、膜厚均一性を確保できず、７０ｍｍを超えると、プラズマを高密度化できない。これにより、ターゲット２及び基板Ｓ間の間隔を短くしたことと、ターゲット側に直流電力を投入することとが相俟って高いスパッタレートが得られ、生産性の向上を図ることが可能となる。

真空チャンバ１の側壁には、上下一対の防着板９ｕ、９ｄが設けられ、真空チャンバ１内にスパッタ室１ａを画成しつつ、真空チャンバ１の内壁面等へのスパッタ粒子の付着を防止している。また、真空チャンバ１の側壁には、ガス源１０ａ、１０ｂに連通し、マスフローコントローラ１１が介設されたガス管１２が接続され、Ａｒなどの希ガスからなるスパッタガスや反応性スパッタリングの際に用いる反応ガスが上下一対の防着板９ｕ、９ｄの隙間を通してスパッタ室１ａ内に一定の流量で導入できるようになっている。

次に、上記スパッタ装置Ｍを用いた基板Ｓへの成膜について、ターゲットとしてＴｉ製のものを用いたものを例に説明する。先ず、上記のようにターゲット２が装着された状態で、図外の搬送ロボットにより基板Ｓを搬送してステージ７に吸着保持させる。そして、真空チャンバ１を密閉して真空ポンプにより所定の真空度まで真空引きする。

真空チャンバ１内の圧力が所定値に達すると、ガス管１２からＡｒガス（スパッタガス）を所定の流量（２〜２００ｓｃｃｍ）で導入すると共に、第１及び第２のスパッタ電源５、８によりターゲット２には負の設定直流電圧を、基板Ｓには高周波バイアス電圧をそれぞれ印加する。このとき、マスフローコントローラ１１を制御して真空チャンバ１内の圧力が１０〜３０Ｐａの範囲に保持する。

これにより、ターゲット２及び基板Ｓ間に重畳した高密度プラズマが発生し、イオンシース領域が基板Ｓ近傍に存するようになる。そして、ターゲット２から放出されたスパッタ粒子が高密度プラズマで効率よくイオン化され、ステージ７に投入された高周波バイアス電圧により、上記イオンシース領域からイオン化されたスパッタ粒子（Ｔｉ）が引き出される。このとき、引き出されたスパッタ粒子は、イオンシース領域及び基板間の間隔が短いため、基板Ｓに略垂直に引き込まれて入射されるようになる。その結果、高アスペクト比の微細ホールに対しても高いボトムカバレッジ率でＴｉ膜が成膜される。

また、上記スパッタ法によれば、ターゲット２から基板Ｓに転写されるが如くスパッタ粒子が基板に到達するようになるため、ターゲット２の寸法を小さくしても基板の外周縁部までその全面に亘って均一な膜厚で形成できる。例えば、上記と同一の磁石ユニット６を備え、φ３００ｍｍの基板Ｓに対して成膜するための従来のスパッタ装置では、膜厚分布の面内均一性を高めるために、約１．５倍の直径を有する円形ターゲットを用いる必要があったが、本実施の形態では、１．２倍の程度の直径に設定しても同等以上の膜厚分布が得られることが確認できた。また、ターゲット２及び基板Ｓ間の間隔Ｄを小さくすることと、ターゲット２寸法が小さくできることとが相俟って、真空チャンバ１の容積や防着板９ｕ、９ｄのサイズを小さくでき、結果として、装置の初期コストやランニングコスト低減にも寄与する。

以上の効果を確認するために、図１のスパッタ装置ＭでＴｉ製のターゲット（組成比９９％）を用い、 処理すべき基板Ｗとして、φ３００ｍｍのシリコンウエハ表面全体に亘ってシリコン酸化物膜が形成され、このシリコン酸化物膜中に公知の方法でアスペクト比２の微細ホールがパターニング形成されたものにＴｉからなるバリア層を形成した。

スパッタ条件として、ターゲット２として、その直径が３４０ｍｍのＴｉ製（組成比９９％）のものを用い、ターゲット２及び基板Ｓ間の間隔を４５ｍｍに設定した。また、第１のスパッタ電源５からの投入電力を１４ｋＷ、第２のスパッタ電源８からの投入電力を１００Ｗに設定した。そして、スパッタ中の真空チャンバ１内の圧力をスパッタガスの導入量を変化させて０．５〜３０Ｐａの範囲に保持しながら成膜した。

図２は、圧力を変化させて成膜したときのボトムカバレッジ率を示したものであり、図２中、−○−は基板Ｓ中心（センター）におけるボトムカバレッジ率の変化、−▲−は、基板Ｓ中心から半径方向で１４７ｍｍの位置（エッジ）におけるボトムカバレッジ率の変化を示す。これによれば、スパッタ中の圧力を１０〜３０Ｐａの範囲に保持すれば、基板Ｓ全面に亘って高いボトムカバレッジ率（センター６０％以上、エッジでＴｉ膜を成膜できることが判る。なお、スパッタ中の圧力が３０Ｐａを超えると、スパッタ放電が消失し、成膜できないことが判明した。また、成膜速度を測定したところ、上記圧力範囲では、圧力が低くなる程、スパッタレートが高くなることが判った。例えば、２０Ｐａでは約２ｎｍ／ｓｅｃのスパッタレートが得られ、これは、従来この種の成膜に用いられている自己バイアス式のスパッタ（ＳＩＳ）装置におけるスパッタレートの約３倍であった。

次に、第１のスパッタ電源５からの投入電力を１４ｋＷ、第２のスパッタ電源８からの投入電力を１００Ｗ、スパッタ中の真空チャンバ１内の圧力を２０Ｐａに設定し、ターゲット及び基板間の間隔を４５〜７０ｍｍの間で変化させて他の実験を行った。

図３には、上記間隔を変化させて成膜したときの基板Ｓ中心でのボトムカバレッジ率を示したものである。これによれば、基板Ｓ面内における膜厚の均一性が約±８％で、７０％以上の高いボトムカバレッジ率が得られていることが確認できた。

更に、他の試験として、φ３００ｍｍのシリコンウエハ表面全体に亘ってシリコン酸化物膜が形成され、このシリコン酸化物膜中に公知の方法で相互に異なる形状で微細ホールがパターニング形成されたもの（試料１乃至試料４）にＴｉからなるバリア層を形成した。

ここで、試料１は、ホール開口径が７２０ｎｍ、深さが７１ｎｍでアスペクト比１０．１、試料２は、ホール開口径が６７５ｎｍ、深さが１５２ｎｍでアスペクト比４．４、試料３は、ホール開口径が４８８ｎｍ、深さが１１６ｎｍでアスペクト比４．２、そして、資料４は、ホール開口径が３１９ｎｍ、深さが１６１ｎｍでアスペクト比２．０であった。

また、スパッタ条件として、ターゲット２として、その直径が３４０ｍｍのＴｉ製（組成比９９％）のものを用い、ターゲット２及び基板Ｓ間の間隔を４５ｍｍに設定した。また、第１のスパッタ電源５からの投入電力を１４ｋＷ、第２のスパッタ電源８からの投入電力を４００Ｗに設定した。そして、スパッタ中の真空チャンバ１内の圧力を２０Ｐａの範囲に保持した。

図４には、アスペクト比の異なる試料（１乃至４）に成膜したときのボトムカバレッジ率を示したものであり、図４中、−◇−は基板Ｓ中心（センター）におけるボトムカバレッジ率、−○−は、微細ホール側壁のボトムカバレッジ率を示す。

これによれば、アスペクト比４．４以下の微細ホールに対しては、７０％を超えるボトムカバレッジ率を達成でき、また、アスペクト比１０の微細ホールに対しても、５０％を超えるボトムカバレッジ率を達成できることが判る。

なお、本実施の形態では、ターゲットとしてＴｉを用いた実験例について説明したが、プラズマでイオン化されたスパッタ粒子を引き込んで成膜するものであれば特に制限されず、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、ＷまたはＴａの単体金属、またはＴｉを含むこれらの中から選択された二種以上の合金からなるターゲットの場合にも上記効果を得ることができる。

本発明のスパッタリング装置の構成を説明する模式図。 スパッタ時の真空チャンバ内の圧力を変化させた実験の結果を示すグラフ。 スパッタ時のターゲット及び基板間の間隔を変化させた実験の結果を示すグラフ。 試料を代えてスパッタによる成膜を行った実験の結果を示すグラフ。

符号の説明

Ｍ スパッタリング装置
１ 真空チャンバ
２ ターゲット
５ 直流電源（第１のスパッタ電源）
７ ステージ
８ 高周波電源（第２のスパッタ電源）
１０ａ、１０ｂ ガス源（スパッタガスまたは不活性ガス）
１１ マスフローコントローラ
１２ ガス管
Ｓ 基板

Claims (2)

1. 真空チャンバ内で処理すべき基板の保持を可能とするステージと、前記ステージに対向配置されたターゲットと、前記ターゲットに直流電力を投入する第１のスパッタ電源と、前記ステージで保持された基板に高周波電力を投入する第２のスパッタ電源と、前記真空チャンバ内にスパッタガスを導入するガス導入手段とを備え、両スパッタ電源から電力投入すると、ターゲット側の直流プラズマと、基板側の高周波バイアスプラズマとが重畳されたプラズマが前記ターゲットと基板との間に発生するように、ターゲット及び基板を近接配置したスパッタリング装置を用い、
   ステージで基板を保持させた状態で真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、前記第１及び第２の各スパッタ電源から電力投入してプラズマ雰囲気を形成し、金属製のターゲットをスパッタリングして基板に成膜するスパッタリング方法であって、
   スパッタリング中、真空チャンバ内の圧力が１０〜３０Ｐａに保持されるようにスパッタガスを導入することを特徴とするスパッタリング方法。
2. 前記金属製のターゲットがＣｕ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、ＷまたはＴａの単体金属、またはこれらの中から選択された二種以上の合金から構成されることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング方法。

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