JP5498739B2 - スパッタリング装置およびスパッタリング方法 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

特開平７−１６１６６１号公報 特開２００１−３５８０９１号公報 特開２００４−６９４２号公報（段落００４１、００４２）

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｇ_１、Ｇ_２と、を備える。

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Ｇ_１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Ｇ_１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。

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（ＬａＢ_６）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。

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Ｇ_１、Ｇ_２のそれぞれに対応して配され、中間電極Ｇ_１、Ｇ_２を流れる電流を制限する抵抗素子Ｒ_１、Ｒ_２と、を備える。

中間電極Ｇ_１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Ｒ_１を介して電力発生部７０と接続されている。また、中間電極Ｇ_２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Ｒ_２を介して電力発生部７０と接続されている。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

＜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。

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。

＜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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
Ｇ_１、Ｇ_２ 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
Ｒ_１、Ｒ_２ 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

Claims (2)

1. 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非磁性の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、
   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。
2. 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、非磁性の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、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。