JP5498739B2 - Sputtering apparatus and sputtering method - Google Patents
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Description
本発明はスパッタリング装置およびスパッタリング方法に関する。 The present invention relates to a sputtering apparatus and a sputtering method.
半導体デバイスの高集積化と高速化を図るうえで、高密度な多層配線技術が必須である。例えば、多機能な高速ロジックＬＳＩでは、配線の高密度化に加えて多層化が必要となり、半導体基板の開口部（例えば、コンタクトホール、ビアホール、溝など）の高アスペクト化および微細化が求められている。 In order to achieve high integration and high speed of semiconductor devices, high-density multilayer wiring technology is essential. For example, multifunctional high-speed logic LSIs require multiple layers in addition to high-density wiring, and high-aspects and miniaturization of semiconductor substrate openings (for example, contact holes, via holes, and grooves) are required. ing.
このような開口部の高アスペクト化および微細化に伴い、開口部に配線用の金属材料（例えば、アルミニウム（Ａｌ）材料）を、スパッタリング技術を用いて堆積させるだけでは、様々な不都合が生じると考えられている。 Along with the increase in the aspect ratio and miniaturization of the opening, various problems are caused by simply depositing a wiring metal material (for example, aluminum (Al) material) in the opening using a sputtering technique. It is considered.
具体的には、開口部のアスペクト比（＝開口部の深さ／開口部の径（溝の場合は幅））が１を越えて大きくなると、金属材料からなる堆積膜のカバレッジ性の劣化が顕著になることが知られている。なお、堆積膜のカバレッジ性は、通常、ホール（或いは溝）の上部と底部での堆積膜の厚みの比率を用いて表すことができる。 Specifically, when the aspect ratio of the opening (= depth of the opening / diameter of the opening (width in the case of a groove)) exceeds 1 and the coverage property of the deposited film made of a metal material is deteriorated. It is known to become prominent. The coverage of the deposited film can usually be expressed by using the ratio of the thickness of the deposited film at the top and bottom of the hole (or groove).
よって、最近では、開口部に金属材料を積極的に埋め込むことにより、金属材料からなる堆積膜のカバレッジ性を改善する試みが活発に行われている。 Therefore, recently, attempts have been actively made to improve the coverage of a deposited film made of a metal material by actively embedding a metal material in the opening.
例えば、スパッタリングチャンバを用いて半導体基板の全面にＡｌ材料のスパッタリング堆積を行い、その後、リフローチャンバを用いて堆積膜を加熱および溶融させる技術（以下、「リフロースパッタ技術」と略す）がある（例えば、特許文献１、２参照）。これにより、基板の開口部にＡｌ材料を適切に埋め込むことができるとされている。 For example, there is a technique (hereinafter abbreviated as “reflow sputtering technique”) in which sputtering of an Al material is performed on the entire surface of a semiconductor substrate using a sputtering chamber, and then a deposited film is heated and melted using a reflow chamber (for example, “reflow sputtering technique”). Patent Documents 1 and 2). Thereby, it is supposed that Al material can be appropriately embedded in the opening of the substrate.
また、ターゲットおよび基板間の距離を長めに取ることによって、リフロー工程を用いずに、コンタクトホールに銅（Ｃｕ）材料を適切に充填（埋め込み）可能なスパッタリング技術（以下、「ロングスパッタ技術」と略す）がすでに提案されている（例えば、特許文献３参照）。 Also, by using a longer distance between the target and the substrate, a sputtering technique (hereinafter referred to as “long sputtering technique”) that can appropriately fill (embed) a copper (Cu) material in a contact hole without using a reflow process. Have been proposed (see, for example, Patent Document 3).
本件発明者等は、シートプラズマ方式のスパッタリング装置を用いたＡｌ材料のコンタクト埋め込み技術の開発を行っている。特に、従来のリフロースパッタ技術では、リフローチャンバの使用を前提としている点で様々な不都合があり（例えば、コストアップ）、未だ改善の余地があると考えている。 The present inventors have developed an Al material contact embedding technique using a sheet plasma type sputtering apparatus. In particular, the conventional reflow sputtering technique has various disadvantages (for example, cost increase) in that it is premised on the use of a reflow chamber, and still has room for improvement.
そして、以上の技術開発の過程において、スパッタリング装置のスパッタ条件の最適な抽出によってリフロー工程を省略できることに気がついた。つまり、Ａｌ材料の開口部への堆積が行われるスパッタリングチャンバ内おいて、上記リフロースパッタ技術と同等の、Ａｌ材料のコンタクト埋め込み効果を発揮できるスパッタ条件を見出すことに成功した。なお、このようなスパッタ条件の詳細は後述する。 And in the process of the above technical development, he realized that the reflow process could be omitted by optimal extraction of sputtering conditions of the sputtering apparatus. In other words, the inventors succeeded in finding a sputtering condition capable of exhibiting an Al material contact embedding effect equivalent to the above-described reflow sputtering technique in a sputtering chamber in which an Al material is deposited in an opening. Details of such sputtering conditions will be described later.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、単一のスパッタリングチャンバを用いて、基板に形成された開口部内へのＡｌ材料のコンタクト埋め込みを適切に行えるスパッタリング装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a sputtering apparatus capable of appropriately embedding a contact of an Al material in an opening formed in a substrate using a single sputtering chamber. With the goal.
また、本発明は、このようなＡｌ材料のコンタクト埋め込みを適切に行えるスパッタリング方法を提供することも目的とする。 Another object of the present invention is to provide a sputtering method capable of appropriately filling such Al material with contacts.
上記課題を解決するため、本発明は、アルミニウムからなるターゲットおよび開口部が形成された基板を格納可能なスパッタリングチャンバと、カソードユニットおよびアノード間の放電により、プラズマを形成可能なプラズマガンと、前記プラズマガンから放出されたプラズマを磁界の作用によりシート状に変形可能な磁界発生手段と、を備え、
前記シート状のプラズマ（シートプラズマという）は、前記スパッタリングチャンバ内の前記基板と前記ターゲットとの間を通過するように誘導され、
前記シートプラズマ中の荷電粒子によって前記ターゲットからスパッタリングされたアルミニウム材料が前記基板の開口部に堆積する際に、前記アルミニウム材料からなる堆積膜のカバレッジ性が、プラズマ放電電流および基板バイアス電圧に基づいて調整されている、スパッタリング装置を提供する。
In order to solve the above problems, the present invention provides a sputtering chamber capable of storing a target formed of aluminum and a substrate on which an opening is formed, a plasma gun capable of forming plasma by discharge between a cathode unit and an anode, A magnetic field generating means capable of deforming the plasma emitted from the plasma gun into a sheet shape by the action of the magnetic field,
The sheet-like plasma (referred to as sheet plasma) is induced to pass between the substrate and the target in the sputtering chamber,
When the aluminum material sputtered from the target by the charged particles in the sheet plasma is deposited on the opening of the substrate, the coverage of the deposited film made of the aluminum material is based on the plasma discharge current and the substrate bias voltage. Provided is a sputtering apparatus that is conditioned.
このように、本発明のスパッタリング装置では、プラズマ放電電流および基板バイアス電圧を、Ａｌ材料のコンタクト埋め込み特性の改善に有利に作用するスパッタ条件として抽出したことに特徴がある。 As described above, the sputtering apparatus according to the present invention is characterized in that the plasma discharge current and the substrate bias voltage are extracted as sputtering conditions that favorably improve the contact filling characteristics of the Al material.
以上の構成により、本発明のスパッタリング装置では、単一のスパッタリングチャンバを用いて、基板に形成された開口部内へのＡｌ材料のコンタクト埋め込みを適切に行える。つまり、Ａｌ材料の開口部への堆積が行われるスパッタリングチャンバ内おいて、従来のリフロースパッタ技術と同等の、Ａｌ材料のコンタクト埋め込み効果を発揮できる。 With the above configuration, in the sputtering apparatus of the present invention, the contact of Al material into the opening formed in the substrate can be appropriately performed using a single sputtering chamber. That is, in the sputtering chamber in which the Al material is deposited in the opening, the contact filling effect of the Al material, which is equivalent to the conventional reflow sputtering technique, can be exhibited.
よって、本発明のスパッタリング装置は、リフローチャンバを設置しなくて済むという点で、従来のリフロースパッタ技術と比べた有利な効果を奏する。 Therefore, the sputtering apparatus of the present invention has an advantageous effect compared with the conventional reflow sputtering technique in that it is not necessary to install a reflow chamber.
また、本発明のスパッタリング装置は、前記プラズマ放電電流の調整に用いるプラズマガン電源と、前記基板バイアス電圧の調整に用いるバイアス電源と、を備えてもよい。 The sputtering apparatus of the present invention may further include a plasma gun power source used for adjusting the plasma discharge current and a bias power source used for adjusting the substrate bias voltage.
また、本発明のスパッタリング装置では、前記基板の温度を、前記プラズマガン電源を用いた前記プラズマ放電電流の調整によって制御してもよい。 In the sputtering apparatus of the present invention, the temperature of the substrate may be controlled by adjusting the plasma discharge current using the plasma gun power source.
また、本発明のスパッタリング装置では、前記基板の昇温速度を、前記プラズマガン電源を用いた前記プラズマ放電電流の調整によって制御してもよい。 In the sputtering apparatus of the present invention, the temperature rising rate of the substrate may be controlled by adjusting the plasma discharge current using the plasma gun power source.
また、本発明は、アルミニウムからなるターゲットおよび開口部が形成された基板をスパッタリングチャンバ内に格納した後、前記スパッタリングチャンバ内を減圧し、プラズマガンから放出されたプラズマを磁界の作用によりシート状のプラズマ（シートプラズマという）に変形させて、前記シートプラズマを、前記スパッタリングチャンバ内の前記基板と前記ターゲットとの間を通過するよう誘導し、前記シートプラズマ中の荷電粒子によって前記ターゲットからスパッタリングされたアルミニウム材料が前記基板の開口部に堆積する際に、前記アルミニウム材料からなる堆積膜のカバレッジ性を、プラズマ放電電流および基板バイアス電圧に基づいて調整する、スパッタリング方法を提供する。 According to the present invention, the aluminum target and the substrate on which the opening is formed are stored in the sputtering chamber, and then the pressure in the sputtering chamber is reduced, and the plasma emitted from the plasma gun is made into a sheet-like shape by the action of a magnetic field. The sheet plasma is transformed into a plasma (referred to as a sheet plasma), and the sheet plasma is induced to pass between the substrate and the target in the sputtering chamber, and is sputtered from the target by charged particles in the sheet plasma. Provided is a sputtering method for adjusting the coverage of a deposited film made of an aluminum material based on a plasma discharge current and a substrate bias voltage when the aluminum material is deposited on an opening of the substrate.
このように、本発明のスパッタリング方法では、プラズマ放電電流および基板バイアス電圧を、Ａｌ材料のコンタクト埋め込み特性の改善に有利に作用するスパッタ条件として抽出したことに特徴がある。 As described above, the sputtering method of the present invention is characterized in that the plasma discharge current and the substrate bias voltage are extracted as sputtering conditions that favorably improve the contact filling characteristics of the Al material.
以上により、本発明のスパッタリング方法では、単一のスパッタリングチャンバを用いて、基板に形成された開口部内へのＡｌ材料のコンタクト埋め込みを適切に行える。つまり、Ａｌ材料の開口部への堆積が行われるスパッタリングチャンバ内おいて、従来のリフロースパッタ技術と同等の、Ａｌ材料のコンタクト埋め込み効果を発揮できる。 As described above, in the sputtering method of the present invention, it is possible to appropriately bury the Al material contact in the opening formed in the substrate using a single sputtering chamber. That is, in the sputtering chamber in which the Al material is deposited in the opening, the contact filling effect of the Al material, which is equivalent to the conventional reflow sputtering technique, can be exhibited.
よって、本発明のスパッタリング方法は、リフローチャンバを設置しなくて済むという点で、従来のリフロースパッタ技術と比べた有利な効果を奏する。 Therefore, the sputtering method of the present invention has an advantageous effect compared with the conventional reflow sputtering technique in that it is not necessary to install a reflow chamber.
また、本発明のスパッタリング方法では、前記基板の温度を、前記プラズマ放電電流の調整によって制御してもよい。 In the sputtering method of the present invention, the temperature of the substrate may be controlled by adjusting the plasma discharge current.
また、本発明のスパッタリング方法では、前記基板の昇温速度を、前記プラズマ放電電流の調整によって制御してもよい。 In the sputtering method of the present invention, the temperature rising rate of the substrate may be controlled by adjusting the plasma discharge current.
本発明によれば、単一のスパッタリングチャンバを用いて、基板に形成された開口部内へのＡｌ材料のコンタクト埋め込みを適切に行えるスパッタリング装置が得られる。 According to the present invention, it is possible to obtain a sputtering apparatus that can appropriately bury a contact of an Al material in an opening formed in a substrate using a single sputtering chamber.
また、本発明によれば、このようなＡｌ材料のコンタクト埋め込みを適切に行えるスパッタリング方法も得られる。 In addition, according to the present invention, a sputtering method capable of appropriately embedding the contact of such an Al material can be obtained.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図１は、本発明の実施形態のスパッタリング装置の一構成例を示した概略図である。 FIG. 1 is a schematic view showing a configuration example of a sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention.
なお、ここでは、便宜上、図１に示す如く、プラズマ輸送の方向をＺ方向にとり、このＺ方向に直交し、かつ棒磁石２４Ａ、２４Ｂ（後述）の磁化方向をＹ方向にとり、これらのＺ方向およびＹ方向の両方に直交する方向をＸ方向にとって、本スパッタリング装置１００の構成を述べる。 Here, for convenience, as shown in FIG. 1, the direction of plasma transport is taken in the Z direction, the magnetization direction of the bar magnets 24A and 24B (described later) is taken in the Y direction, and these Z directions are taken. The configuration of the present sputtering apparatus 100 will be described with the direction orthogonal to both the Y direction and the X direction.
本実施形態のスパッタリング装置１００は、図１に示す如く、ＹＺ平面において略十字形をなしており、放電プラズマ輸送の方向（Ｚ方向）から見て順番に、放電プラズマを高密度に生成するプラズマガン４０と、Ｚ方向の軸を中心とした円筒状の非磁性（例えばステンレス製やガラス製）のシートプラズマ変形室２０と、Ｙ方向の軸を中心とした円筒状の非磁性（例えばステンレス製）のスパッタリングチャンバ３０と、を備える。 As shown in FIG. 1, the sputtering apparatus 100 of the present embodiment has a substantially cross shape in the YZ plane, and plasma that generates discharge plasma in high density in order as viewed from the direction of discharge plasma transport (Z direction). A gun 40, a cylindrical non-magnetic (eg, stainless steel or glass) sheet plasma deformation chamber 20 centered on the Z-direction axis, and a cylindrical non-magnetic (eg, stainless-steel) centered on the Y-direction axis ) Sputtering chamber 30.
また、スパッタリング装置１００は、図１に示す如く、プラズマガン４０に放電発生用の電力を供給できるプラズマガン電源５０を備える。 Further, as shown in FIG. 1, the sputtering apparatus 100 includes a plasma gun power supply 50 that can supply electric power for generating discharge to the plasma gun 40.
なお、上述の各部４０、２０、３０は、放電プラズマを輸送する通路を介して互いに気密状態を保って連通されている。 The above-described portions 40, 20, and 30 are communicated with each other while maintaining an airtight state through a passage for transporting the discharge plasma.
まず、スパッタリング装置１００のプラズマガン４０およびプラズマガン電源５０の構成について説明する。 First, the configuration of the plasma gun 40 and the plasma gun power supply 50 of the sputtering apparatus 100 will be described.
スパッタリング装置１００のプラズマガン４０は、図１に示すように、カソードユニット４１と、一対の中間電極Ｇ１、Ｇ２と、を備える。 As shown in FIG. 1, the plasma gun 40 of the sputtering apparatus 100 includes a cathode unit 41 and a pair of intermediate electrodes G 1 and G 2 .
カソードユニット４１は、耐熱ガラス製の円筒状のガラス管４１Ａと、円板状の蓋部材４１Ｂとを備えており、カソードユニット４１の内部は、放電空間として機能している。このガラス管４１Ａは、適宜の固定手段（ボルトなど；図示せず）により、中間電極Ｇ１および蓋部材４１Ｂとの間で気密に配されている。このため、中間電極Ｇ１の通孔（図示せず）を介して、放電空間で生成されたプラズマをカソードユニット４１から外部に引き出すことができる。 The cathode unit 41 includes a cylindrical glass tube 41A made of heat-resistant glass and a disc-shaped lid member 41B, and the inside of the cathode unit 41 functions as a discharge space. The glass tube 41A is suitable fixing means (bolts, etc.) (not shown) by, are arranged in the airtight between the intermediate electrode G 1 and the lid member 41B. Therefore, it is possible to draw through the hole of the intermediate electrode G 1 (not shown), the plasma generated in the discharge space from the cathode unit 41 to the outside.
また、蓋部材４１Ｂには、放電誘発用の熱電子を放出可能な六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）からなるカソードＣが配置されているとともに、放電により電離される放電ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）ガスをこの放電空間に導くことができる放電ガス供給手段（図示せず）が設けられている。 The lid member 41B is provided with a cathode C made of lanthanum hexaboride (LaB 6 ) capable of emitting discharge-induced thermoelectrons, and argon (Ar) as a discharge gas ionized by the discharge. Discharge gas supply means (not shown) capable of guiding gas to the discharge space is provided.
スパッタリング装置１００のプラズマガン電源５０は、図１に示すように、プラズマガン４０に電力を供給できる電力発生部７０と、各中間電極Ｇ１、Ｇ２のそれぞれに対応して配され、中間電極Ｇ１、Ｇ２を流れる電流を制限する抵抗素子Ｒ１、Ｒ２と、を備える。 As shown in FIG. 1, the plasma gun power source 50 of the sputtering apparatus 100 is arranged corresponding to each of the power generation unit 70 that can supply power to the plasma gun 40 and each of the intermediate electrodes G 1 and G 2. Resistance elements R 1 and R 2 that limit currents flowing through G 1 and G 2 are provided.
中間電極Ｇ１は、プラズマガン４０の放電空間においてカソードＣとの間で補助放電（グロー放電）を適切に維持できるよう、抵抗素子Ｒ１を介して電力発生部７０と接続されている。また、中間電極Ｇ２は、プラズマガン４０の放電空間においてカソードＣとの間で補助放電（グロー放電）を適切に維持できるよう、抵抗素子Ｒ２を介して電力発生部７０と接続されている。 The intermediate electrode G 1 is connected to the power generation unit 70 via the resistance element R 1 so that auxiliary discharge (glow discharge) can be appropriately maintained between the intermediate electrode G 1 and the cathode C in the discharge space of the plasma gun 40. Further, the intermediate electrode G 2 is connected to the power generation unit 70 via the resistance element R 2 so that auxiliary discharge (glow discharge) can be appropriately maintained between the intermediate electrode G 2 and the cathode C in the discharge space of the plasma gun 40. .
このグロー放電においては、プラズマガン４０の放電空間への荷電粒子（ここでは、Ａｒ＋と電子）の供給が、Ａｒ＋のカソードＣへの衝突時に起こる二次電子放出および電子によるアルゴン電離によりなされる。これにより、プラズマガン４０の放電空間には、荷電粒子の集合体としての放電プラズマが形成される。その後、プラズマガン４０では、カソードＣの加熱で起こる熱電子放出に基づいた主放電（アーク放電）に遷移する。このように、プラズマガン４０は、プラズマガン電源５０に基づく低電圧かつ大電流のアーク放電により、カソードＣとアノードＡとの間に高密度の放電を可能にする、圧力勾配型ガンである。 In this glow discharge, charged particles (here, Ar + and electrons) are supplied to the discharge space of the plasma gun 40 by secondary electron emission and argon ionization by electrons that occur when Ar + collides with the cathode C. The Thereby, discharge plasma as an aggregate of charged particles is formed in the discharge space of the plasma gun 40. Thereafter, the plasma gun 40 makes a transition to main discharge (arc discharge) based on thermionic emission that occurs when the cathode C is heated. As described above, the plasma gun 40 is a pressure gradient type gun that enables high-density discharge between the cathode C and the anode A by low-voltage and high-current arc discharge based on the plasma gun power supply 50.
なお、ここでは、詳細な図示を省略するが、この電力発生部７０の内部では、電源切り替えスイッチを用いて、カソードＣとトランスとの間の接続がなされた状態と、カソードＣと、定電流電源との間の接続がなされた状態と、を取り得る。 Although detailed illustration is omitted here, in the power generation unit 70, the connection between the cathode C and the transformer, the cathode C, the constant current, and the like using the power source changeover switch. The connection with the power source can be established.
プラズマガン４０のグロー放電時には、前者の状態が取られる。この場合、トランスの一次側の端子間には、商用周波数の２００Ｖの一次電圧が印加される。すると、トランスの二次側の端子間に所定の二次電圧が誘起され、この二次電圧が整流回路により整流された後、プラズマガン４０に印加される。 At the time of glow discharge of the plasma gun 40, the former state is taken. In this case, a primary voltage of 200 V having a commercial frequency is applied between terminals on the primary side of the transformer. Then, a predetermined secondary voltage is induced between the terminals on the secondary side of the transformer, and this secondary voltage is rectified by the rectifier circuit and then applied to the plasma gun 40.
一方、プラズマガン４０のアーク放電時には、後者の状態が取られる。これにより、プラズマガン４０は、プラズマガン電源５０（定電流電源）により定電流制御され、アノードＡからカソードＣに向かって流れるプラズマ放電電流（プラズマ密度）ＩＤが一定となる。 On the other hand, at the time of arc discharge of the plasma gun 40, the latter state is taken. Accordingly, the plasma gun 40 is controlled at a constant current by a plasma gun power supply 50 (constant current power supply), and a plasma discharge current (plasma density) ID flowing from the anode A to the cathode C becomes constant.
上述のプラズマ放電電流ＩＤは、プラズマガン電源５０を用いて適宜の値に調整できる。 The plasma discharge current ID described above can be adjusted to an appropriate value using the plasma gun power supply 50.
以上のようにして、Ｚ方向の輸送中心に対して略等密度分布してなる円柱状のアーク放電プラズマ（以下、「円柱プラズマ２２」という）が、プラズマガン４０のＺ方向の他端とシートプラズマ変形室２０のＺ方向の一端との間に介在する通路（図示せず）を介してシートプラズマ変形室２０へ引き出される。 As described above, the cylindrical arc discharge plasma (hereinafter referred to as “cylindrical plasma 22”) having a substantially equal density distribution with respect to the transport center in the Z direction is generated between the other end of the plasma gun 40 in the Z direction and the sheet. The sheet is drawn out to the sheet plasma deformation chamber 20 through a passage (not shown) interposed between one end of the plasma deformation chamber 20 in the Z direction.
次に、スパッタリング装置１００のシートプラズマ変形室２０の構成およびその周辺構成について述べる。 Next, the configuration of the sheet plasma deformation chamber 20 of the sputtering apparatus 100 and its peripheral configuration will be described.
シートプラズマ変形室２０は、Ｚ方向の軸を中心とした円柱状の減圧可能な輸送空間２１を有する。 The sheet plasma deformation chamber 20 includes a cylindrical transport space 21 that can be depressurized around an axis in the Z direction.
シートプラズマ変形室２０の側面周囲には、このシートプラズマ変形室２０を取り囲み、円柱プラズマ２２のＺ方向の推進力を発揮する円形状の第１の電磁コイル２３（空心コイル）が配設されている。なお、第１の電磁コイル２３の巻線には、カソードＣ側をＳ極、アノードＡ側をＮ極とする向きの電流が通電されている。 Around the side surface of the sheet plasma deformation chamber 20, a circular first electromagnetic coil 23 (air core coil) surrounding the sheet plasma deformation chamber 20 and demonstrating the propulsive force of the cylindrical plasma 22 in the Z direction is disposed. Yes. In addition, the winding of the first electromagnetic coil 23 is energized with a current having a cathode C side as an S pole and an anode A side as an N pole.
また、この第１の電磁コイル２３のＺ方向の前方側（アノードＡに近い側）には、Ｘ方向に延びる一対の角形の棒磁石２４Ａ、２４Ｂ（永久磁石；磁界発生手段の対）が、シートプラズマ変形室２０（輸送空間２１）を挟むように、Ｙ方向に所定の間隔を隔てて配設されている。また、これらの棒磁石２４Ａ、２４ＢのＮ極同士が対向し合っている。 A pair of rectangular bar magnets 24A and 24B (permanent magnets; a pair of magnetic field generating means) extending in the X direction are provided on the front side in the Z direction (side closer to the anode A) of the first electromagnetic coil 23. The sheet plasma deformation chamber 20 (transportation space 21) is disposed with a predetermined interval in the Y direction. Further, the N poles of these bar magnets 24A and 24B face each other.
第１の電磁コイル２３により輸送空間２１に形成されるコイル磁界と、棒磁石２４Ａ、２４Ｂにより輸送空間２１に形成される磁石磁界との相互作用に基づいて、円柱プラズマ２２は、その輸送方向（Ｚ方向）の輸送中心を含むＸＺ平面（以下、「主面Ｓ」という）に沿って拡がる、均一なシート状のプラズマ（以下、「シートプラズマ２７」という）に変形される。 Based on the interaction between the coil magnetic field formed in the transport space 21 by the first electromagnetic coil 23 and the magnet magnetic field formed in the transport space 21 by the bar magnets 24A and 24B, the columnar plasma 22 has its transport direction ( It is transformed into a uniform sheet-like plasma (hereinafter referred to as “sheet plasma 27”) that spreads along an XZ plane (hereinafter referred to as “main surface S”) including the transport center in the Z direction).
このようにして、シートプラズマ２７は、図１に示す如く、シートプラズマ変形室２０のＺ方向の他端とスパッタリングチャンバ３０の側壁との間に介在する、シートプラズマ２７の通過用のスリット状のボトルネック部２８を介してスパッタリングチャンバ３０へ引き出される。 In this way, the sheet plasma 27 has a slit-like shape for passing the sheet plasma 27 interposed between the other end in the Z direction of the sheet plasma deformation chamber 20 and the side wall of the sputtering chamber 30 as shown in FIG. It is drawn out to the sputtering chamber 30 through the bottle neck portion 28.
なお、ボトルネック部２８の間隔（Ｙ方向寸法）および厚み（Ｚ方向寸法）並びに幅（Ｘ方向寸法）は、シートプラズマ２７を適切に通過するように設計されている。 The distance (Y direction dimension), thickness (Z direction dimension), and width (X direction dimension) of the bottleneck portion 28 are designed to pass through the sheet plasma 27 appropriately.
次に、スパッタリング装置１００のスパッタリングチャンバ３０の構成について述べる。 Next, the configuration of the sputtering chamber 30 of the sputtering apparatus 100 will be described.
スパッタリングチャンバ３０では、シートプラズマ２７中のＡｒ＋の衝突エネルギによりターゲット３５Ｂの材料をスパッタリング粒子として叩き出すスパッタリングプロセスが行われる。 In the sputtering chamber 30, a sputtering process is performed in which the material of the target 35 </ b > B is sputtered as sputtering particles by Ar + collision energy in the sheet plasma 27.
スパッタリングチャンバ３０は、Ｙ方向の軸を中心とした円柱状の減圧可能な成膜空間３１を有し、この成膜空間３１は、バルブ３７により開閉可能な排気口から真空ポンプ３６（例えば、ターボポンプ）により真空引きされている。これにより、当該成膜空間３１はスパッタリングプロセス可能なレベルの真空度にまで速やかに減圧される。 The sputtering chamber 30 has a cylindrical film-forming space 31 that can be depressurized around an axis in the Y direction. The film-forming space 31 is connected to a vacuum pump 36 (for example, a turbo pump) through an exhaust port that can be opened and closed by a valve 37. It is evacuated by a pump). As a result, the deposition space 31 is quickly depressurized to a degree of vacuum that allows a sputtering process.
ここで、成膜空間３１には、その機能上、上下方向（Ｙ方向）において、ボトルネック部２８の間隔に対応する水平面（ＸＺ平面）に沿った中央空間を境にして、板状のターゲット３５Ｂを格納するターゲット空間と、板状の基板３４Ｂを格納する基板空間と、がある。 Here, the film-forming space 31 has a plate-like target in the vertical direction (Y direction) from the center space along the horizontal plane (XZ plane) corresponding to the distance between the bottleneck portions 28 in the vertical direction (Y direction). There is a target space for storing 35B and a substrate space for storing the plate-like substrate 34B.
つまり、ターゲット３５Ｂは、ターゲットホルダ３５Ａに装着された状態において、中央空間の上方に位置するターゲット空間内に格納され、適宜のアクチュエータ（図示せず）によりターゲット空間内を上下（Ｙ方向）に移動可能に構成されている。一方、基板３４Ｂは、基板ホルダ３４Ａに装着された状態において、中央空間の下方に位置する基板空間内に格納され、適宜のアクチュエータ（図示せず）により基板空間内を上下（Ｙ方向）に移動可能に構成されている。 That is, the target 35B is stored in the target space located above the central space in a state where it is mounted on the target holder 35A, and is moved up and down (Y direction) in the target space by an appropriate actuator (not shown). It is configured to be possible. On the other hand, the substrate 34B is stored in a substrate space located below the central space when mounted on the substrate holder 34A, and is moved up and down (Y direction) in the substrate space by an appropriate actuator (not shown). It is configured to be possible.
なお、上述の中央空間は、スパッタリングチャンバ３０においてシートプラズマ２７の主成分を輸送させる空間である。 The central space described above is a space for transporting the main component of the sheet plasma 27 in the sputtering chamber 30.
このようにして、ターゲット３５Ｂおよび基板３４Ｂは互いに、シートプラズマ２７の厚み方向（Ｙ方向）に一定の好適な間隔Ｌ（以下、「Ｔ−Ｓ距離Ｌ」と略す）を隔てるようにして、このシートプラズマ２７を挟み、成膜空間３１内に対向して配置されている。 In this way, the target 35B and the substrate 34B are separated from each other by a predetermined suitable distance L (hereinafter abbreviated as “TS distance L”) in the thickness direction (Y direction) of the sheet plasma 27. The sheet plasma 27 is sandwiched between the film formation spaces 31.
ターゲット３５Ｂは、直流のバイアス電源５２からのターゲットバイアス電圧ＶＢ（−１０００Ｖ程度の電圧）が印加されている。 A target bias voltage VB (a voltage of about −1000 V) from the DC bias power supply 52 is applied to the target 35B.
すると、シートプラズマ２７中のＡｒ＋がターゲット３５Ｂに向かって引き付けられ、Ａｒ＋とターゲット３５Ｂとの間に生じる衝突エネルギによって、スパッタ粒子が、ターゲット３５Ｂから基板３４Ｂに向かって叩き出され、基板３４Ｂ上にスパッタ粒子からなる堆積膜が形成される。 Then, Ar + in the sheet plasma 27 is attracted toward the target 35B, and by the collision energy generated between Ar + and the target 35B, sputtered particles are struck out from the target 35B toward the substrate 34B, and the substrate 34B. A deposited film made of sputtered particles is formed thereon.
上述のターゲットバイアス電圧ＶＢはバイアス電源５２を用いて適宜の値に調整できる。 The target bias voltage VB described above can be adjusted to an appropriate value using the bias power source 52.
また、基板３４Ｂは、直流のバイアス電源５１からの基板バイアス電圧ＶＡ（−数十Ｖの電圧）が印加されている。 A substrate bias voltage VA (a voltage of −several tens of volts) from the DC bias power supply 51 is applied to the substrate 34B.
これにより、シートプラズマ２７を横切る際にシートプラズマ２７の作用により電離されたスパッタ粒子（例えば、Ａｌ＋）を、上述の基板バイアス電圧ＶＡによって基板３４Ｂに適切に引き込むことができる。 Thereby, sputtered particles (for example, Al + ) ionized by the action of the sheet plasma 27 when traversing the sheet plasma 27 can be appropriately drawn into the substrate 34B by the substrate bias voltage VA.
上述の基板バイアス電圧ＶＡはバイアス電源５１を用いて適宜の値に調整できる。 The substrate bias voltage VA described above can be adjusted to an appropriate value using the bias power supply 51.
次に、ボトルネック部２８から見て、Ｚ方向に対向する位置のスパッタリングチャンバ３０の周辺構成を説明する。 Next, the peripheral configuration of the sputtering chamber 30 at a position facing the Z direction as viewed from the bottleneck portion 28 will be described.
当該位置のスパッタリングチャンバ３０の側壁にはアノードＡが配置され、この側壁とアノードＡとの間には、プラズマ通過用の通路２９が設けられている。 An anode A is disposed on the side wall of the sputtering chamber 30 at this position, and a passage 29 for passing plasma is provided between the side wall and the anode A.
アノードＡは、カソードＣとの間で基準電位が与えられ、カソードＣおよびアノードＡの間のアーク放電によるシートプラズマ２７中の荷電粒子（特に電子）を回収する役割を担っている。 The anode A is given a reference potential between the cathode C and plays a role of collecting charged particles (particularly electrons) in the sheet plasma 27 due to arc discharge between the cathode C and the anode A.
また、アノードＡの裏面（カソードＣに対する対向面の反対側の面）には、アノードＡ側をＳ極、大気側をＮ極とした永久磁石３８が配置されている。このため、この永久磁石３８のＮ極から出てＳ極に入るＸＺ平面に沿った磁力線により、アノードＡに向かうシートプラズマ２７の幅方向（Ｘ方向）の拡散を抑えるようにシートプラズマ２７が幅方向に収束され、シートプラズマ２７の荷電粒子が、アノードＡに適切に回収される。 Further, on the back surface of the anode A (surface opposite to the surface facing the cathode C), a permanent magnet 38 having the anode A side as the S pole and the atmosphere side as the N pole is disposed. For this reason, the sheet plasma 27 has a width so as to suppress diffusion in the width direction (X direction) of the sheet plasma 27 toward the anode A by the magnetic field lines along the XZ plane exiting from the N pole of the permanent magnet 38 and entering the S pole. The charged particles of the sheet plasma 27 are appropriately collected in the anode A.
また、円形状の第２および第３の電磁コイル３２、３３（空心コイル）は、互いに対をなして、スパッタリングチャンバ３０の側壁を臨むようにして成膜空間３１を挟み、異極同士（ここでは、第２の電磁コイル３２はＮ極、第３の電磁コイル３３はＳ極）を向かい合わせて配置されている。 In addition, the circular second and third electromagnetic coils 32 and 33 (air core coils) are paired with each other and sandwich the film formation space 31 so as to face the side wall of the sputtering chamber 30. The second electromagnetic coil 32 and the third electromagnetic coil 33 are disposed so as to face each other.
第２の電磁コイル３２は、棒磁石２４Ａ、２４Ｂとスパッタリングチャンバ３０との間のＺ方向の適所に配置され、第３の電磁コイル３３は、スパッタリングチャンバ３０の側壁とアノードＡとの間のＺ方向の適所に配置されている。 The second electromagnetic coil 32 is disposed at a proper position in the Z direction between the bar magnets 24A and 24B and the sputtering chamber 30, and the third electromagnetic coil 33 is formed between the side wall of the sputtering chamber 30 and the anode A. Located in the right direction.
第２および第３の電磁コイル３２、３３の対により作られるコイル磁界（例えば１０Ｇ〜３００Ｇ程度）によれば、シートプラズマ２７は、その幅方向（Ｘ方向）の拡散を適切に抑えるように整形される。 According to the coil magnetic field (for example, about 10G to 300G) formed by the pair of the second and third electromagnetic coils 32 and 33, the sheet plasma 27 is shaped so as to appropriately suppress the diffusion in the width direction (X direction). Is done.
次に、半導体デバイス用の基板３４Ｂ（以下、「半導体基板３４Ｂ」と略す）の開口部（コンタクトホールや溝；図１では、図示せず）に、アルミニウム材料（Ａｌ材料）からなるターゲット３５Ｂ（以下、「Ａｌターゲット３５Ｂ」と略す）のスパッタリングによって、多層配線用のＡｌ材料を埋め込む場合について検討する。 Next, a target 35B (Al material) made of an aluminum material (Al material) is formed in an opening (contact hole or groove; not shown in FIG. 1) of a semiconductor device substrate 34B (hereinafter abbreviated as “semiconductor substrate 34B”). Hereinafter, a case where an Al material for multilayer wiring is embedded by sputtering of “Al target 35B” will be considered.
まず、Ａｌ材料のコンタクト埋め込みを適切に行えるスパッタリング装置１００のスパッタ条件を抽出する。 First, the sputtering conditions of the sputtering apparatus 100 that can appropriately bury the contact of the Al material are extracted.
図２は、スパッタリング開始時からの半導体基板の昇温プロファイルの一例を示した図である。図２の横軸に経過時間（秒）を取り、縦軸に基板温度（℃）を取っている。 FIG. 2 is a diagram showing an example of a temperature rise profile of the semiconductor substrate from the start of sputtering. In FIG. 2, the horizontal axis represents elapsed time (seconds), and the vertical axis represents substrate temperature (° C.).
なお、ここでは、プラズマ放電電流ＩＤが１００Ａに、基板バイアス電圧ＶＡが−５０Ｖに、ターゲットバイアス電圧ＶＢが−１０００Ｖに、およびＴ−Ｓ距離Ｌが１００ｍｍに設定されている。また、図２中のＰ１（スパッタリング開始時からの経過時間：３０秒）、Ｐ２（同経過時間：６０秒）、Ｐ３（同経過時間：９０秒）、Ｐ４（同経過時間：１３０秒）は、Ａｌ材料のコンタクト埋め込みの様子を確認するためのサンプリングポイントを表している。 Here, the plasma discharge current ID is set to 100 A, the substrate bias voltage VA is set to −50 V, the target bias voltage VB is set to −1000 V, and the TS distance L is set to 100 mm. Further, P1 (elapsed time from the start of sputtering: 30 seconds), P2 (same elapsed time: 60 seconds), P3 (same elapsed time: 90 seconds), and P4 (same elapsed time: 130 seconds) in FIG. The sampling points for confirming the state of contact embedding of the Al material are shown.
図３は、図２中の各サンプリングポイントでのＡｌ材料のコンタクト埋め込みの様子を示した図（断面写真）である。 FIG. 3 is a diagram (cross-sectional photograph) showing a state of contact embedding of an Al material at each sampling point in FIG.
なお、図３中の白っぽく写っている部分が、半導体基板３４Ｂの開口部に形成されたＡｌ材料からなる堆積膜（以下、「Ａｌ堆積膜」と略す）の領域に相当する（図５および図６の断面写真でも同じ）。 3 corresponds to a region of a deposited film made of an Al material (hereinafter abbreviated as “Al deposited film”) formed in the opening of the semiconductor substrate 34B (FIGS. 5 and 5). The same applies to the cross-sectional photograph of No. 6).
図２に示すように、スパッタリング開始時からの経過時間が長くなるほど、半導体基板３４Ｂの温度が上昇する。すると、半導体基板３４Ｂの温度の上昇に連れて、図３に示すように、Ａｌ材料のコンタクト埋め込み特性（Ａｌ堆積膜の開口部でのカバレッジ性）が改善することが分かる。 As shown in FIG. 2, the temperature of the semiconductor substrate 34B increases as the elapsed time from the start of sputtering becomes longer. Then, as the temperature of the semiconductor substrate 34B rises, as shown in FIG. 3, it can be seen that the contact embedding characteristic of Al material (coverability at the opening of the Al deposited film) improves.
例えば、図３のサンプリングポイントＰ１の断面写真とサンプリングポイントＰ３の断面写真とを比べると、サンプリングポイントＰ１では、半導体基板３４Ｂの開口部の底部でのＡｌ堆積膜の厚みがその上部のＡｌ堆積膜の厚みの約８０％程度であるのに対し、サンプリングポイントＰ３では、半導体基板３４Ｂの開口部の底部でのＡｌ堆積膜の厚みがその上部のＡｌ堆積膜の厚みの約１００％程度であった。 For example, comparing the cross-sectional photograph of the sampling point P1 in FIG. 3 with the cross-sectional photograph of the sampling point P3, at the sampling point P1, the thickness of the Al deposited film at the bottom of the opening of the semiconductor substrate 34B is the Al deposited film on the top thereof. On the other hand, at the sampling point P3, the thickness of the Al deposited film at the bottom of the opening of the semiconductor substrate 34B is about 100% of the thickness of the Al deposited film thereabove. .
また、半導体基板３４Ｂの温度が３５０℃〜４５０℃程度にまで上がると、図３のサンプリングポイントＰ４の断面写真に示すように、半導体基板３４Ｂの開口部が、Ａｌ材料によって完全に埋め込まれていることが分かる。 When the temperature of the semiconductor substrate 34B rises to about 350 ° C. to 450 ° C., the opening of the semiconductor substrate 34B is completely filled with the Al material as shown in the cross-sectional photograph of the sampling point P4 in FIG. I understand that.
そして、以上の温度範囲は、Ａｌ材料の融点（約６６０℃）が比較的低いことを利用して、半導体基板の開口部内にＡｌ材料を流動化させるという従来のリフロースパッタ技術によるＡｌ材料のコンタクト埋め込み時の温度条件とほぼ符合している。つまり、本実施形態のスパッタリング装置１００では、リフローチャンバを用いずに、Ａｌ堆積膜のリフロー性を適切に達成できると考えられる。 The above temperature range utilizes the relatively low melting point (about 660 ° C.) of the Al material, and contacts the Al material by a conventional reflow sputtering technique in which the Al material is fluidized in the opening of the semiconductor substrate. It almost agrees with the temperature condition at the time of embedding. That is, in the sputtering apparatus 100 of this embodiment, it is considered that the reflow property of the Al deposited film can be appropriately achieved without using the reflow chamber.
ところで、本実施形態のスパッタリング装置１００では、プラズマ放電電流ＩＤ、基板バイアス電圧ＶＡ、ターゲットバイアス電圧ＶＢおよびＴ−Ｓ距離Ｌのそれぞれを個別に制御できるという特徴がある。 By the way, the sputtering apparatus 100 of the present embodiment is characterized in that each of the plasma discharge current ID, the substrate bias voltage VA, the target bias voltage VB, and the TS distance L can be individually controlled.
そこで、このようなパラメータの中から、Ａｌ材料のコンタクト埋め込み特性の改善に有利に作用するスパッタ条件を以下の如く抽出した。 Therefore, from these parameters, sputtering conditions that favorably improve the contact filling characteristics of the Al material were extracted as follows.
＜プラズマ放電電流ＩＤ＞
プラズマ放電電流ＩＤの多少により、シートプラズマ２７の放熱量が変化する。このため、プラズマ放電電流ＩＤを用いて、シートプラズマ２７から半導体基板３４Ｂに伝わる熱量を制御でき、これにより、Ａｌ堆積膜のリフロー性を直接的に制御できると考えられる。
<Plasma discharge current ID>
The heat radiation amount of the sheet plasma 27 changes depending on the plasma discharge current ID. For this reason, it is considered that the amount of heat transferred from the sheet plasma 27 to the semiconductor substrate 34B can be controlled using the plasma discharge current ID, and thus the reflow property of the Al deposited film can be directly controlled.
よって、Ａｌ材料のコンタクト埋め込み特性の改善に有利に作用するスパッタ条件として、プラズマ放電電流ＩＤを用いることができるはずである。 Therefore, it should be possible to use the plasma discharge current ID as a sputtering condition that favorably improves the contact filling characteristics of the Al material.
＜基板バイアス電圧ＶＡ＞
基板バイアス電圧ＶＡの大小により、シートプラズマ２７中のアルミニウムイオン（Ａｌ＋）を半導体基板３４Ｂに引き込む場合のＡｌ＋のエネルギ（加速度）が変化する。このため、基板バイアス電圧ＶＡをマイナス電圧側に大きくすると、半導体基板３４Ｂの底部にＡｌ＋を優先的に引き込み、これにより、Ａｌ堆積膜のリフロー性を補助的に制御できると考えられる。
<Substrate bias voltage VA>
Depending on the magnitude of the substrate bias voltage VA, the energy (acceleration) of Al + when aluminum ions (Al + ) in the sheet plasma 27 are drawn into the semiconductor substrate 34B changes. For this reason, when the substrate bias voltage VA is increased to the negative voltage side, Al + is preferentially drawn into the bottom of the semiconductor substrate 34B, and thereby, the reflow property of the Al deposited film can be supplementarily controlled.
よって、Ａｌ材料のコンタクト埋め込み特性の改善に有利に作用するスパッタ条件として、基板バイアス電圧ＶＡを用いることができるはずである。 Therefore, it should be possible to use the substrate bias voltage VA as a sputtering condition that favorably improves the contact filling characteristics of the Al material.
＜ターゲットバイアス電圧ＶＢ＞
ターゲットバイアス電圧ＶＢの大小により、Ａｌターゲット３５Ｂに入射するＡｒ＋の加速度が変化するので、Ａｌ材料のスパッタリング収率に影響を与える。よって、ターゲットバイアス電圧ＶＢは、Ａｌ材料の成膜速度に直接的な影響を及ぼすので、最適なＡｌ材料の成膜速度を確保できる値に固定する方が好ましい。
<Target bias voltage VB>
Since the acceleration of Ar + incident on the Al target 35B changes depending on the magnitude of the target bias voltage VB, the sputtering yield of the Al material is affected. Therefore, since the target bias voltage VB directly affects the deposition rate of the Al material, it is preferable to fix the target bias voltage VB to a value that can ensure the optimum deposition rate of the Al material.
つまり、Ａｌ材料のコンタクト埋め込み特性の改善のスパッタ条件として、ターゲットバイアス電圧ＶＢを用いるには一定の制約があると考えられる。 That is, it is considered that there are certain restrictions on using the target bias voltage VB as a sputtering condition for improving the contact embedding characteristics of the Al material.
＜Ｔ−Ｓ距離Ｌ＞
Ｔ−Ｓ距離Ｌを短くすると、シートプラズマ２７が半導体基板３４Ｂに近づくので、半導体基板３４Ｂの温度を上げる方向に作用する。この場合、半導体基板３４Ｂの温度制御の観点では、Ａｌ材料のコンタクト埋め込み特性の改善において有利に作用すると考えられるが、特許文献３に記載のロングスパッタ技術の観点では、むしろ不利に作用する。
<TS distance L>
When the TS distance L is shortened, the sheet plasma 27 approaches the semiconductor substrate 34B, and thus acts to increase the temperature of the semiconductor substrate 34B. In this case, from the viewpoint of temperature control of the semiconductor substrate 34B, it is considered to be advantageous in improving the contact burying characteristics of the Al material, but from the viewpoint of the long sputtering technique described in Patent Document 3, this is rather disadvantageous.
逆に、Ｔ−Ｓ距離Ｌを長くすると、シートプラズマ２７が半導体基板３４Ｂに遠ざかるので、半導体基板３４Ｂの温度を下げる方向に作用する。この場合、半導体基板３４Ｂの温度制御の観点では、Ａｌ材料のコンタクト埋め込み特性の改善において不利に作用すると考えられるが、特許文献３に記載のロングスパッタ技術の観点では、むしろ有利に作用する。 Conversely, when the TS distance L is increased, the sheet plasma 27 moves away from the semiconductor substrate 34B, and thus acts to lower the temperature of the semiconductor substrate 34B. In this case, from the viewpoint of temperature control of the semiconductor substrate 34B, it is considered to be disadvantageous in improving the contact burying characteristics of the Al material, but from the viewpoint of the long sputtering technique described in Patent Document 3, it is rather advantageous.
以上の事情により、本件発明者等は、Ｃｕ材料の埋め込みに用いるロングスパッタ技術（特許文献３）の単なる転用が、必ずしも、融点が比較的低いＡｌ材料のコンタクト埋め込み特性の改善に有利にならないと考えている。 Due to the above circumstances, the inventors of the present invention do not necessarily improve the contact embedding characteristics of an Al material having a relatively low melting point by simply diverting the long sputtering technique (Patent Document 3) used for embedding Cu material. thinking.
よって、Ａｌ材料の如く、融点が比較的低い金属材料を用いる場合（Ａｌ材料の融点：約６６０℃）、コンタクト埋め込み特性の改善のスパッタ条件として、Ｔ−Ｓ距離Ｌを用いることが適切でない場合がある。 Therefore, when using a metal material having a relatively low melting point such as Al material (melting point of Al material: about 660 ° C.), it is not appropriate to use the TS distance L as the sputtering condition for improving the contact embedding characteristics. There is.
以上のとおり、本件発明者等は、Ａｌ材料のコンタクト埋め込み特性の改善に有利に作用するスパッタ条件として、プラズマ放電電流ＩＤおよび基板バイアス電圧ＶＡを抽出した。 As described above, the present inventors have extracted the plasma discharge current ID and the substrate bias voltage VA as sputtering conditions that favorably improve the contact filling characteristics of the Al material.
次に、プラズマ放電電流ＩＤの調整に基づいてＡｌ材料のコンタクト埋め込み特性の改善を行えることを検証した実験結果を述べる。 Next, an experimental result verifying that the contact embedding characteristic of the Al material can be improved based on the adjustment of the plasma discharge current ID will be described.
図４は、プラズマ放電電流をパラメータにして、スパッタリング開始時からの半導体基板の昇温プロファイルの一例を示した図である。図４の横軸に経過時間（秒）を取り、縦軸に基板温度（℃）を取っている。図４では、プラズマ放電電流ＩＤが１００Ａである場合の昇温プロファイル２００（図４中の点線）およびプラズマ放電電流ＩＤが１５０Ａである場合の昇温プロファイル３００（図４中の実線）が例示されている。 FIG. 4 is a diagram showing an example of a temperature rise profile of the semiconductor substrate from the start of sputtering using the plasma discharge current as a parameter. In FIG. 4, the horizontal axis represents elapsed time (seconds), and the vertical axis represents substrate temperature (° C.). FIG. 4 illustrates a temperature rise profile 200 (dotted line in FIG. 4) when the plasma discharge current ID is 100 A and a temperature rise profile 300 (solid line in FIG. 4) when the plasma discharge current ID is 150 A. ing.
なお、本検証実験では、基板バイアス電圧ＶＡは−５０Ｖに、ターゲットバイアス電圧ＶＢは−１０００Ｖに、Ｔ−Ｓ距離Ｌは１００ｍｍにそれぞれ固定されている。 In this verification experiment, the substrate bias voltage VA is fixed to −50 V, the target bias voltage VB is fixed to −1000 V, and the TS distance L is fixed to 100 mm.
図４の昇温プロファイル２００と昇温プロファイル３００との比較によって、プラズマ放電電流ＩＤの調整に基づいて半導体基板３４Ｂの温度および昇温速度を制御できることが分かる。 By comparing the temperature rise profile 200 and the temperature rise profile 300 of FIG. 4, it can be seen that the temperature and temperature rise rate of the semiconductor substrate 34B can be controlled based on the adjustment of the plasma discharge current ID.
図５は、図４の横軸の経過時間１３０秒のタイミングにおいて、プラズマ放電電流が１００Ａである場合、および、プラズマ放電電流が１５０Ａである場合のそれぞれについて、Ａｌ材料のコンタクト埋め込みの様子を示した図（断面写真）である。 FIG. 5 shows a state of contact embedding of an Al material when the plasma discharge current is 100 A and when the plasma discharge current is 150 A at the elapsed time of 130 seconds on the horizontal axis in FIG. FIG.
図５の各断面写真の比較から容易に理解できるとおり、プラズマ放電電流ＩＤの調整に基づいてＡｌ材料のコンタクト埋め込み特性の改善を行えることを確認できた。 As can be easily understood from the comparison of the cross-sectional photographs in FIG. 5, it was confirmed that the contact embedding characteristics of the Al material can be improved based on the adjustment of the plasma discharge current ID.
具体的には、プラズマ放電電流が１００Ａに調整されると、半導体基板３４Ｂの開口部の底部でのＡｌ堆積膜の厚みがその上部のＡｌ堆積膜の厚みの約１８０％程度である。 Specifically, when the plasma discharge current is adjusted to 100 A, the thickness of the Al deposited film at the bottom of the opening of the semiconductor substrate 34B is about 180% of the thickness of the Al deposited film thereabove.
これに対して、プラズマ放電電流が１５０Ａに調整されると、当該開口部がＡｌ材料によって完全に塞がる。よって、この場合、半導体基板３４Ｂに形成された開口部内へのＡｌ材料の適切な埋め込みが行われる。 On the other hand, when the plasma discharge current is adjusted to 150 A, the opening is completely blocked by the Al material. Therefore, in this case, the Al material is appropriately embedded in the opening formed in the semiconductor substrate 34B.
次に、基板バイアス電圧ＶＡの調整に基づいてＡｌ材料のコンタクト埋め込み特性の改善を行えることを検証した実験結果を述べる。 Next, an experimental result verifying that the contact embedding property of the Al material can be improved based on the adjustment of the substrate bias voltage VA will be described.
図６は、スパッタリング開始時から経過時間１３０秒のタイミングにおいて、基板バイアス電圧ＶＡが−３０Ｖである場合、基板バイアス電圧ＶＡが−４０Ｖである場合、および、基板バイアス電圧ＶＡが−５０Ｖである場合のそれぞれについて、Ａｌ材料のコンタクト埋め込みの様子を示した図（断面写真）である。 FIG. 6 shows a case where the substrate bias voltage VA is −30 V, the substrate bias voltage VA is −40 V, and the substrate bias voltage VA is −50 V at the timing of 130 seconds after the start of sputtering. It is the figure (cross-sectional photograph) which showed the mode of contact embedding of Al material about each of these.
なお、本検証実験では、プラズマ放電電流ＩＤは１００Ａに、ターゲットバイアス電圧ＶＢは−１０００Ｖに、Ｔ−Ｓ距離Ｌは１００ｍｍにそれぞれ固定されている。 In this verification experiment, the plasma discharge current ID is fixed to 100 A, the target bias voltage VB is fixed to −1000 V, and the TS distance L is fixed to 100 mm.
図６の各断面写真の比較から容易に理解できるとおり、基板バイアス電圧ＶＡの調整に基づいてＡｌ材料のコンタクト埋め込み特性の改善を行えることを確認できた。 As can be easily understood from the comparison of the cross-sectional photographs in FIG. 6, it was confirmed that the contact embedding characteristics of the Al material can be improved based on the adjustment of the substrate bias voltage VA.
具体的には、基板バイアス電圧ＶＡが−３０Ｖに調整されると、半導体基板３４Ｂに形成された開口部内へのＡｌ材料の適切な埋め込みが行われず、Ａｌ堆積膜中にボイド（開口部の中央付近の黒い部分）が生じている。また、基板バイアス電圧ＶＡが−４０Ｖに調整されても、半導体基板３４Ｂに形成された開口部内へのＡｌ材料の適切な埋め込みが行われず、Ａｌ堆積膜中にボイド（右側の開口部の黒っぽく見える部分）が生じている。 Specifically, when the substrate bias voltage VA is adjusted to −30 V, the Al material is not properly embedded in the opening formed in the semiconductor substrate 34B, and a void (center of the opening) is formed in the Al deposited film. There are black spots in the vicinity. Further, even when the substrate bias voltage VA is adjusted to −40V, the Al material is not properly embedded in the opening formed in the semiconductor substrate 34B, and voids (the right-side opening looks dark) in the Al deposited film. Part) has occurred.
これに対し、基板バイアス電圧ＶＡが−５０Ｖに調整されると、当該開口部がＡｌ材料によって完全に塞がる。 On the other hand, when the substrate bias voltage VA is adjusted to −50 V, the opening is completely blocked by the Al material.
このように、基板バイアス電圧ＶＡをマイナス電圧側に大きくなるよう、調整することによって、半導体基板３４Ｂの開口部の底部に優先的にＡｌ＋を引き込むことができるので、ボイドフリーのＡｌ堆積膜を形成できる。よって、この場合、半導体基板３４Ｂに形成された開口部内へのＡｌ材料の適切な埋め込みが行われる。 Thus, by adjusting the substrate bias voltage VA so as to increase to the negative voltage side, Al + can be preferentially drawn into the bottom of the opening of the semiconductor substrate 34B, so that a void-free Al deposited film is formed. Can be formed. Therefore, in this case, the Al material is appropriately embedded in the opening formed in the semiconductor substrate 34B.
次に、半導体基板３４Ｂの開口部に多層配線用のＡｌ材料を埋め込む場合のスパッタリング装置１００の動作例を述べる。 Next, an operation example of the sputtering apparatus 100 when an Al material for multilayer wiring is embedded in the opening of the semiconductor substrate 34B will be described.
まず、Ａｌターゲット３５Ｂおよび基板３４Ｂをスパッタリングチャンバ３０に格納した後、スパッタリングチャンバ３０を適宜の真空度に減圧する。 First, after the Al target 35B and the substrate 34B are stored in the sputtering chamber 30, the pressure in the sputtering chamber 30 is reduced to an appropriate degree of vacuum.
その後、シートプラズマ２７をスパッタリングチャンバ３０内の半導体基板３４ＢとＡｌターゲット３５Ｂとの間を通過するように誘導する。すると、シートプラズマ２７中のＡｒ＋によってＡｌターゲット３５Ｂがスパッタリングされ、これにより、Ａｌ堆積膜が半導体基板３４Ｂの開口部に形成される。 Thereafter, the sheet plasma 27 is guided to pass between the semiconductor substrate 34B and the Al target 35B in the sputtering chamber 30. Then, the Al target 35B is sputtered by Ar + in the sheet plasma 27, whereby an Al deposited film is formed in the opening of the semiconductor substrate 34B.
そして、半導体基板３４Ｂの開口部へのＡｌ堆積膜の形成時において、Ａｌ材料のコンタクト埋め込みを適切に行えるよう、上述のスパッタ条件（プラズマ放電電流ＩＤおよび基板バイアス電圧ＶＡ）を適切に設定するとよい。 The above sputtering conditions (plasma discharge current ID and substrate bias voltage VA) may be appropriately set so that the contact of Al material can be appropriately filled when forming the Al deposited film in the opening of the semiconductor substrate 34B. .
以上のとおり、本実施形態のスパッタリング装置１００は、Ａｌターゲット３５Ｂおよび開口部が形成された基板（半導体基板３４Ｂ）を格納可能なスパッタリングチャンバ３０と、カソードユニット４１およびアノードＡ間の放電により、プラズマ（円柱状プラズマ２２）を形成可能なプラズマガン４０と、プラズマガン４０から放出されたプラズマを磁界の作用によりシート状に変形可能な磁界発生手段（永久磁石２４Ａ、２４Ｂ）と、を備える。 As described above, the sputtering apparatus 100 according to the present embodiment generates plasma by the discharge between the sputtering chamber 30 capable of storing the Al target 35B and the substrate (semiconductor substrate 34B) in which the opening is formed, and the cathode unit 41 and the anode A. A plasma gun 40 capable of forming (cylindrical plasma 22) and magnetic field generating means (permanent magnets 24A and 24B) capable of deforming the plasma emitted from the plasma gun 40 into a sheet shape by the action of a magnetic field.
そして、本実施形態のスパッタリング装置１００では、シートプラズマ２７は、スパッタリングチャンバ３０内の半導体基板３４ＢとＡｌターゲット３５Ｂとの間を通過するように誘導され、シートプラズマ２７中の荷電粒子（Ａｒ＋）によってＡｌターゲット３５ＢからスパッタリングされたＡｌ材料が半導体基板３４Ｂの開口部に堆積する際に、Ａｌ堆積膜のカバレッジ性が、プラズマ放電電流ＩＤおよび基板バイアス電圧ＶＡに基づいて調整されている。 In the sputtering apparatus 100 of the present embodiment, the sheet plasma 27 is induced to pass between the semiconductor substrate 34B and the Al target 35B in the sputtering chamber 30, and charged particles (Ar + ) in the sheet plasma 27. When the Al material sputtered from the Al target 35B is deposited on the opening of the semiconductor substrate 34B, the coverage of the Al deposited film is adjusted based on the plasma discharge current ID and the substrate bias voltage VA.
このように、本実施形態のスパッタリング装置１００では、プラズマ放電電流ＩＤおよび基板バイアス電圧ＶＡを、Ａｌ材料のコンタクト埋め込み特性の改善に有利に作用するスパッタ条件として抽出したことに特徴がある。 As described above, the sputtering apparatus 100 of the present embodiment is characterized in that the plasma discharge current ID and the substrate bias voltage VA are extracted as sputtering conditions that favorably improve the contact embedding characteristics of the Al material.
以上の構成により、本実施形態のスパッタリング装置１００では、単一のスパッタリングチャンバ３０を用いて、半導体基板３４Ｂに形成された開口部内へのＡｌ材料のコンタクト埋め込みを適切に行える。つまり、Ａｌ材料の開口部への堆積が行われるスパッタリングチャンバ３０内おいて、従来のリフロースパッタ技術と同等の、Ａｌ材料のコンタクト埋め込み効果を発揮できる。 With the above configuration, in the sputtering apparatus 100 of the present embodiment, the contact of Al material can be appropriately embedded in the opening formed in the semiconductor substrate 34B using the single sputtering chamber 30. That is, in the sputtering chamber 30 where the deposition of the Al material is performed, the contact filling effect of the Al material, which is equivalent to the conventional reflow sputtering technique, can be exhibited.
よって、本実施形態のスパッタリング装置１００は、リフローチャンバを設置しなくて済むという点で、従来のリフロースパッタ技術と比べた有利な効果を奏する。 Therefore, the sputtering apparatus 100 of this embodiment has an advantageous effect compared with the conventional reflow sputtering technique in that it is not necessary to install a reflow chamber.
本発明は、単一のスパッタリングチャンバを用いて、基板に形成された開口部内へのＡｌ材料のコンタクト埋め込みを適切に行えるスパッタリング装置を提供する。よって、本発明は、例えば、シートプラズマ方式のスパッタリング装置に利用できる。 The present invention provides a sputtering apparatus capable of appropriately embedding a contact of an Al material in an opening formed in a substrate by using a single sputtering chamber. Therefore, the present invention can be used for, for example, a sheet plasma type sputtering apparatus.
２０ シートプラズマ変形室
２１ 輸送空間
２２ 円柱プラズマ
２３ 第１の電磁コイル
２４Ａ、２４Ｂ 棒磁石
２７ シートプラズマ
２８ ボトルネック部
２９ 通路
３０ スパッタリングチャンバ
３１ 成膜空間
３２ 第２の電磁コイル
３３ 第３の電磁コイル
３４Ａ 基板ホルダ
３４Ｂ 基板（半導体基板）
３５Ａ ターゲットホルダ
３５Ｂ ターゲット（Ａｌターゲット）
３６ 真空ポンプ
３７ バルブ
３８ 永久磁石
４０ プラズマガン
４１ カソードユニット
４１Ａ ガラス管
４１Ｂ 蓋部材
５０ プラズマガン電源
５１、５２ バイアス電源
７０ 電力発生部
１００ スパッタリング装置
２００、３００ 昇温プロファイル
Ａ アノード
Ｇ１、Ｇ２ 中間電極
Ｃ カソード
ＩＤ プラズマ放電電流
Ｌ Ｔ−Ｓ距離
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４ サンプリングポイント
Ｒ１、Ｒ２ 抵抗素子
Ｓ 主面
ＶＡ 基板バイアス電圧
ＶＢ ターゲットバイアス電圧
20 Sheet plasma deformation chamber 21 Transport space 22 Cylindrical plasma 23 First electromagnetic coils 24A, 24B Bar magnet 27 Sheet plasma 28 Bottle neck 29 Passage 30 Sputtering chamber 31 Film formation space 32 Second electromagnetic coil 33 Third electromagnetic coil 34A Substrate holder 34B Substrate (semiconductor substrate)
35A Target holder 35B Target (Al target)
36 vacuum pump 37 valve 38 permanent magnet 40 plasma gun 41 cathode unit 41A glass tube 41B lid member 50 plasma gun power 51 bias power supply 70 power generating section 100 sputtering device 200 and 300 heating profile A anode G 1, G 2 intermediate electrode C cathode ID plasma discharge current L T-S distance P1, P2, P3, P4 sampling point R 1, R 2 the resistance element S principal plane VA substrate bias voltage VB target bias voltage
Claims (2)
カソードユニットおよびアノード間の放電により、プラズマを形成可能なプラズマガンと、
前記プラズマガンから放出されたプラズマを磁界の作用によりシート状に変形可能な磁界発生手段と、
プラズマ放電電流の調整に用いるプラズマガン電源と、
基板バイアス電圧の調整に用いるバイアス電源と、
を備え、
前記シート状のプラズマ（シートプラズマという）は、前記スパッタリングチャンバ内の前記基板と前記ターゲットとの間を通過するように、前記スパッタリングチャンバの側壁と前記アノードとの間に設けられた通路に誘導され、
前記シートプラズマ中の荷電粒子によって前記ターゲットからスパッタリングされたアルミニウム材料が前記基板の開口部に堆積する際に、前記アルミニウム材料からなる堆積膜のカバレッジ性が、前記プラズマ放電電流および前記基板バイアス電圧に基づいて調整され、
前記基板の温度または前記基板の昇温速度が、前記プラズマガン電源を用いた前記プラズマ放電電流の調整によって前記シートプラズマから前記基板に伝わる熱量に基づいて制御されている、スパッタリング装置。 A nonmagnetic sputtering chamber capable of storing a target formed of aluminum and a substrate having openings formed therein;
A plasma gun capable of forming plasma by discharge between the cathode unit and the anode;
A magnetic field generating means capable of deforming the plasma emitted from the plasma gun into a sheet shape by the action of a magnetic field;
A plasma gun power source used to adjust the plasma discharge current;
A bias power source used to adjust the substrate bias voltage;
With
The sheet-like plasma (referred to as sheet plasma) is guided to a passage provided between a side wall of the sputtering chamber and the anode so as to pass between the substrate and the target in the sputtering chamber. ,
When the aluminum material sputtered from the target by the charged particles in the sheet plasma is deposited on the opening of the substrate, the coverage of the deposited film made of the aluminum material depends on the plasma discharge current and the substrate bias voltage. Adjusted based on
The sputtering apparatus, wherein a temperature of the substrate or a temperature rising rate of the substrate is controlled based on an amount of heat transferred from the sheet plasma to the substrate by adjusting the plasma discharge current using the plasma gun power source.
プラズマガンから放出されたプラズマを磁界の作用によりシート状のプラズマ（シートプラズマという）に変形させて、前記シートプラズマを、前記スパッタリングチャンバ内の前記基板と前記ターゲットとの間を通過するよう、前記スパッタリングチャンバの側壁とアノードとの間に設けられた通路に誘導し、
前記シートプラズマ中の荷電粒子によって前記ターゲットからスパッタリングされたアルミニウム材料が前記基板の開口部に堆積する際に、前記アルミニウム材料からなる堆積膜のカバレッジ性を、プラズマ放電電流および基板バイアス電圧に基づいて調整し、前記基板の温度または前記基板の昇温速度を、前記プラズマ放電電流の調整によって前記シートプラズマから前記基板に伝わる熱量に基づいて制御する、スパッタリング方法。
After the aluminum target and the substrate on which the opening is formed are stored in a non-magnetic sputtering chamber, the pressure in the sputtering chamber is reduced,
The plasma emitted from the plasma gun is deformed into a sheet plasma (referred to Sheet plasma) by the action of a magnetic field, said sheet plasma, so as to pass between the substrate and the target in the sputtering chamber, wherein Leads to a passage provided between the side wall of the sputtering chamber and the anode ,
When the aluminum material sputtered from the target by the charged particles in the sheet plasma is deposited on the opening of the substrate, the coverage of the deposited film made of the aluminum material is determined based on the plasma discharge current and the substrate bias voltage. Adjusting and controlling the temperature of the substrate or the temperature rising rate of the substrate based on the amount of heat transferred from the sheet plasma to the substrate by adjusting the plasma discharge current.
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