JP5693175B2 - スパッタリング方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、半導体デバイスの製造工程にて、所定のアスペクト比を有する微細なホールまたはトレンチがパターニング形成された処理対象物に対して、ホール等を含む処理対象物の表面全体に亘って金属膜を成膜するためのスパッタリング方法に関し、特に、高アスペクト比の微細なホールに対してＣｕ膜からなるシード層を形成することに最適なものに関する。

従来、半導体デバイスの製造工程において、所定のアスペクト比を有する微細なホールやトレンチに対してカバレッジよくＣｕ膜からなるシード層を成膜する方法として、スパッタリング法等のＰＶＤ法を用いることが一般に知られている（特許文献１参照）。

上記のものでは、プラズマ中のＡｒイオンが、Ｃｕ製のターゲット面に衝突し、そのターゲット表面からＣｕ原子やＣｕイオンが放出され、バイアス電力（例えば、５０Ｗ）が投入されている基板に向かってかつ直進性を持って引き込まれて付着、堆積し、Ｃｕ膜からなるシード層が形成される。

ところで、近年の半導体デバイスの高集積化や小型化に伴い、配線寸法の小型化が一層要求されているものの、配線膜や層間絶縁膜の厚さは、静電容量や寄生容量等を低減するために所定の厚さに保持する必要がある。このような要求を満たすために、所定の開口径を有するホール（ビアホールやコンタクトホール等）にはアスペクト比が３以上となるものがある。このようなホールに例えばＣｕからなるシート層を形成する場合、上記従来例のスパッタリング方法では、カバレッジ（被覆）率の良い層を形成することが困難（特に、ボール底部のカバレッジ率（ボトムカバレッジ率）を向上させることが困難）であり、その結果、信頼性の高い配線構造を形成する上で問題であった。ここで、ボトムカバレッジ率を向上させる方法の一つとして、成膜時間を長くすることが考えらえる。然し、これでは、成膜時間が著しく長くなって生産性が低下する不具合が生じる。

特開２００２−８０９６２号公報

本発明は、以上の点に鑑み、高アスペクト比のホールまたはトレンチに対して被覆性よく、かつ、高い成膜レートで所定の金属膜を成膜できるスパッタリング方法を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、処理対象物を、アスペクト比が３以上の微細なホールまたはトレンチがパターニング形成されたものとし、これらホールを含む処理対象物の表面全体に亘って金属膜を成膜するためのスパッタリング方法であって、真空チャンバ内に処理対象物と、処理対象物に形成しようとする金属膜に応じて作製されたターゲットとを対向配置し、ターゲットから処理対象物に向かう方向を下、処理対象物からターゲットに向かう方向を上とし、上下方向に沿う真空チャンバの壁面に、上下方向に間隔を存して夫々巻回してなる第１のコイルと第２のコイルに１５Ａ〜３０Ａの範囲で通電して処理対象物の全面に亘って垂直な磁場が作用するように垂直磁場を発生させると共に、ターゲットの上方に設けた磁石ユニットによりターゲットの下方に磁場を作用させ、真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、ターゲットに所定の直流電力を投入して真空チャンバ内にプラズマを形成してターゲットをスパッタリングし、スパッタガスをアルゴンとして、スパッタリング中、真空チャンバ内のアルゴンの分圧を５〜３０Ｐａの範囲に保持して成膜することを特徴とする。

本発明によれば、スパッタリング中、所定金属からなるシード層を形成する従来のスパッタリング法における成膜条件（５Ｐａより低い分圧）と比較して、５〜３０Ｐａの範囲の高いアルゴンの分圧に保持することで、金属イオンの電離が一層促進されてプラズマ中での金属イオン比率が増加する。そして、処理対象物に向けて垂直磁場を作用させることで、プラズマ中の金属イオンが、処理対象物へと一層高い指向性を持ってかつ強い直進性を持って、ホール等の底部まで到達するようになる。その結果、ホール等の底部における成膜レートが向上してボトムカバレッジ率が大幅に向上する。しかも、ホール等の底部に一旦付着、堆積した金属膜が、それと同時に引き込まれたＡｒイオン（金属イオン）等により逆スパッタされ、この逆スパッタされた金属原子が、微細ホールの側壁下部を含む側壁全体に亘って付着、堆積するようになる。その結果、ホール等の内部をその全体に亘って所定膜厚で被覆性良くかつ短時間で成膜できる。本発明においては、アルゴン分圧が５Ｐａより低いと、特にボトムカバレッジ率を効果的に向上させることができない一方で、アルゴン分圧が５０Ｐａを超えると、アルゴンとの散乱により金属イオンが著しく減少し、カバレッジが低下するという不具合が生じる。

本発明において、スパッタリング中、所定のバイアス電力を処理対象物に投入し、ターゲットからのスパッタ粒子やプラズマ中で電子したスパッタ粒子のイオンを引き込むようにすれば、一層成膜レートを向上できてよい。この場合、処理対象物に印加するバイアス電力は、５０〜２００Ｗであることが好ましい。５０Ｗより低いバイアス電力では、ホール底部の成膜レートを効果的に向上させることができず、また、２００Ｗを超えると、逆スパッタ量が多くなり過ぎて、逆に微細ホール底部の成膜レートが遅くなる。

なお、本発明は、前記ターゲットとしてＣｕを用い、所定のアスペクト比、特に３以上のアスペクト比のホールに対して、高い成膜速度で被覆性よくＣｕからなるシード層を成膜することに最適である。

本発明の実施の形態によるスパッタリング装置の模式的断面図。 スパッタリング装置を用いて成膜したときの状態を模式的に説明する図。 本発明に即した実験結果を示すグラフ。 本発明に即した他の実験結果を示すグラフ。

以下、図面を参照して、処理対象物Ｗを、シリコンウエハ等の基板表面にシリコン酸化物層を所定の膜厚で形成し、このシリコン酸化物層にアスペクト比が３以上である微細なホールを形成したものとし（図２参照）、このホール内にＣｕ膜を形成する場合を例として本発明の実施形態のスパッタリング方法を説明する。

図１を参照して、ＳＭは、本実施形態のスパッタリング方法による成膜が可能なスパッタリング装置である。このスパッタリング装置ＳＭは、真空雰囲気の形成が可能な真空チャンバ１を備え、真空チャンバ１の天井部にカソードユニットＣが取付けられている。以下においては、図１中、真空チャンバ１の天井部側を向く方向を「上」とし、その底部側を向く方向を「下」として説明する。

カソードユニットＣは、ターゲット２と、このターゲット２の上方に配置された磁石ユニット３とから構成されている。ターゲット２はＣｕ製であり、処理対象物Ｗの輪郭に応じて、公知の方法で平面視円形や矩形に形成されたものである。なお、ターゲット２は、処理対象物に形成しようとする金属膜に応じて適宜選択でき、例えばＴｉやＡｌ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ製とすることができる。ターゲット２は、図示省略のバッキングプレートに装着した状態で、そのスパッタ面を下方にして絶縁体Ｉを介して真空チャンバ１の上部に取り付けられる。また、ターゲット２は、ＤＣ電源や高周波電源等のスパッタ電源Ｅ１に接続され、スパッタ中、ターゲット２に負の電位を持った電力が投入される。

ターゲット２の上方に配置される磁石ユニット３は、ターゲット２のスパッタ面２１の下方空間に磁場を発生させ、スパッタ時にスパッタ面２ａの下方で電離した電子等を捕捉してターゲット２から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化する公知の閉鎖磁場若しくはカスプ磁場構造を有するものであり、ここでは詳細な説明を省略する。

真空チャンバ１内には導電性を有するアノードシールド４が配置されている。アノードシールド４は、ターゲット２の周囲を覆って下方に延びる筒状の部材である。アノードシールド４は通常グランドに接続するが、他のＤＣ電源Ｅ２に接続し正の電位を印加してもよい。この場合、アノードシールド４は、イオン化したスパッタ粒子のイオンを反射し、強い直進性を持って基板Ｗへと放出されることをアシストする。

真空チャンバ１の底部には、カソードユニットＣに対向させてステージ５が配置され、処理対象物Ｗが位置決め保持されるようになっている。ステージ５は高周波電源Ｅ３に接続され、スパッタ中、ステージ５、ひいては基板Ｗにバイアス電位が印加され、特にスパッタ粒子のイオンを基板Ｗに積極的に引き込む役割を果たす。真空チャンバ１の側壁には、スパッタガスたるアルゴンガスを導入するガス管６が接続され、このガス管６がマスフローコントローラ６ａを介して図示省略のガス源に連通する。そして、これらの部品がガス導入手段を構成し、流量制御されたスパッタガスが真空チャンバ１内に導入できる。

また、真空チャンバの側壁には、リング状のヨーク７１に導線７２を巻回してなる上コイル７ｕと下コイル７ｄとが上下方向に所定間隔を存して設けられ、電源Ｅ４から両コイル７ｕ、７ｄに通電できるようになっている。そして、ターゲット２のスパッタリングにより生じたスパッタ粒子が垂直磁場の影響で失活せずに、効率よく基板全面に亘って到達し、かつ、ターゲット２のスパッタ面２１及び処理対象物Ｗ全面に亘って垂直な磁力線ＭＦが所定間隔で通るように下向きの垂直磁場が発生するようになっている。なお、コイルの個数は上記に限定されるものではなく、また、上コイル７ｕと下コイル７ｄとの間の距離、導線７２の径や巻数は、例えばターゲット２のスパッタ面２１の面積、ターゲット３と基板Ｗとの間の距離、電源装置Ｅ４の定格電流値や発生させようとする磁場強度（ガウス）に応じて適宜設定される。

真空チャンバ１の底部には、ターボ分子ポンプやロータリポンプなどからなる図示省略の真空排気装置に通じる排気管８が接続されている。上記スパッタリング装置ＳＭは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段９を有し、制御手段９により上記各電源Ｅ１〜Ｅ４の作動、マスフローコントローラ６ａの作動や真空排気装置の作動等を統括管理するようになっている。

次に、上記スパッタリング装置１を用いた処理対象物Ｗへのスパッタリング方法を説明する。先ず、真空排気手段を作動させて真空チャンバ１内を所定の真空度（例えば、１０^−５Ｐａ）まで真空引きしておく。ステージ５に処理対象物Ｗをセットした後、電源Ｅ４により上コイル７ｕ及び下コイル７ｄに通電し、ターゲット２及び処理対象物Ｗ全面に亘って下向きの垂直な磁力線ＭＦが所定間隔で通るように垂直磁場を発生させる。そして、真空チャンバ１内にマスフローコントローラ６ａを制御してアルゴンガス（スパッタガス）を所定の流量で導入し、スパッタ電源Ｅ１よりターゲット２に負の電位を持つ所定電力を投入して放電させ、真空チャンバ１内にプラズマ雰囲気を形成する。

ここで、従来技術では、Ｃｕ膜の成膜する場合、プラズマ雰囲気の形成後、マスフローコントローラ６ａによりアルゴンガスの導入を停止する等、スパッタリング中のアルゴン分圧を０〜５Ｐａの範囲に設定し、例えば自己放電プラズマを形成して成膜を行うことが知られている。然し、アスペクト比が３を超えるような微細ホールでは、たとえ上コイル７ｕと下コイル７ｄに通電する電流値やバイアス電力を適宜調節したとしても、特に、ホールの底部でのカバレッジ率を効果的に向上できない。

本実施形態では、スパッタガス中、真空チャンバ内１のアルゴンの分圧が５〜３０Ｐａの範囲に保持するようにした。これにより、Ａｒイオン（またはＣｕイオン）がターゲット２のスパッタ面２１に衝突してスパッタされ、ターゲット２からＣｕ原子が飛散する。このとき、アルゴン分圧を高めておくことで、ターゲット２から飛散するＣｕ原子の量が多くなると共に、Ｃｕの電離が促進されてプラズマ中でのＣｕイオン比率が増加する。

そして、処理対象物Ｗの全面に亘って垂直に発生させ、高周波電源Ｅ３により処理対象物Ｗに所定のバイアス電力を印加することで、ターゲット２のスパッタリングにより生じたＣｕ原子や電離したＣｕイオンが、処理対象物Ｗへと一層高い指向性を持ってかつ強い直進性を持って、ホールの底部まで引き込まれるようになる。その結果、図２に示すように、ホールＨの底部Ｈｂにおける成膜レートが向上して、特にボトムカバレッジ率が大幅に向上する。しかも、ホールＨの底部Ｈｂに一旦付着、堆積したＣｕ膜が、それと同時に引き込まれたＡｒイオン等により逆スパッタされ、この逆スパッタされたＣｕが、ホールＨの側壁Ｈｓ下部を含む、この側壁Ｈｓ全体に亘って付着、堆積するようになる（つまり、ホールＨの側壁Ｈｓのカバレッジ率も向上する）。その結果、ホールＨの内部をその全体に亘って所定膜厚で被覆性良くかつ短時間で成膜できるようになる（図２参照）。

なお、アルゴン分圧が５Ｐａより低いと、特にボトムカバレッジ率を効果的に向上させることができない一方で、アルゴン分圧が５０Ｐａを超えると、アルゴンとの散乱により金属イオンが著しく減少し、カバレッジが低下するという不具合が生じる。また、バイアス電力は、５０〜２００Ｗの範囲値に設定される。５０Ｗより低いと、ホール底部の成膜レートを効果的に向上させることができない一方で、２００Ｗを超えると、逆スパッタ量が多くなり過ぎて、逆に微細ホール底部の成膜レートが遅くなるという不具合が生じる。更に、上コイル７ｕと下コイル７ｄへの通電電流値は、１５〜３０Ａの範囲に設定される。１５Ａより低いと、ホール底部の成膜レートを効果的に向上させることができない一方で、３０Ａを超えると、プラズマが不安的になるという不具合が生じる。

次に、以上の効果を確認するために、図１に示すスパッタリング装置ＳＭを用いて以下の各実験を行った。実験１では、処理対象物Ｗとして、シリコン酸化物膜中に、開口径が０．０６μｍ、アスペクト比が５のホールをパターニング形成されたものを用意した。そして、ターゲット２として高純度のＣｕ製ターゲットを用いてＣｕ膜を形成することとした。スパッタ条件として、ターゲット２と処理対象物Ｗとの間の距離を、４００ｍｍ、スパッタ電源Ｅ１からターゲット２への投入電力２０ｋＷ、電源Ｅ２からアースシールドへの投入電圧を３０Ｖ、電源Ｅ３から投入するバイアス電力を２００Ｗ、スパッタ時間を１０ｓｅｃに設定した。また、上コイル７ｕ及び下コイル７ｄへの通電電流を３０Ａとして下向きの垂直磁場を発生させるようにした。そして、実験１では、スパッタリング中、スパッタガスの分圧を０〜５０Ｐａの範囲で変化させ、処理対象物に成膜をした。

図３は、上記条件で処理対象物に成膜したときの、アルゴン分圧に対するホールＨの底部Ｈｂのカバレッジ率を測定したグラフである。カバレッジ率は、ａ／ｂ×１００の式で算出した。ここで、ａは、処理対象物の表面におけるＣｕ膜の膜厚であり、ｂは、ホールＨの底部におけるＣｕの膜厚である（図２参照）。これによれば、アルゴン分圧が５Ｐａ以上のとき、ホールＨの底部Ｈｂでのカバレッジ率を略１００％にできたことが判る。また、ホールＨの側壁でのカバレッジ率も従来技術のものと比較して向上できたことが確認された。

次に、実験２では、コイル７ｕ、７ｄへの通電電流とアルゴン分圧を変化させる以外は、上記実験１と同じ条件で成膜した。図４は、コイルコイル７ｕ、７ｄへの通電電流を０Ａ，１５Ａ，３０Ａに夫々設定し、各通電電流にてアルゴンガスの分圧を変化させたときの成膜速度（ｎｍ／ｓｅｃ）を示すグラフである。これによれば、ホールＨの底部Ｈｂにおけるカバレッジ率を向上できる５Ｐａ以上の範囲では、コイル７ｕ、７ｄへの通電電流を０Ａ、即ち、処理対象物に垂直磁場を作用させない場合にエッチングレートが極端に低下していることが判る。それに対して、垂直磁場を作用させると、エッチングレートの低下量を低減でき、３０Ａの場合には、半分程度の低下量まで抑制でき、生産性が然程損なわないことが判る。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態では、コイルを用いて垂直磁場を発生させているが、永久磁石等を用いて磁場を発生させることができる。また、スパッタガスとしては、アルゴン以外の希ガスを用いることができ、スパッタガスとして用いる希ガスに応じて、磁場強度を適宜調節すれば、上記と同様の効果が得られる。また、処理対象物は上記のものに限定されるものではなく、所定のアスペクト比で微細なホールやトレンチが形成されたものであれば、本発明は広く適用できる。

ＳＭ…スパッタリング装置、１…真空チャンバ、２…ターゲット、６…ガス管、７ｕ、７ｄ…コイル（垂直磁場発生）、Ｃ…カソードユニット、Ｅ１〜Ｅ４…電源、ＭＦ…磁束、Ｗ…処理対象物、Ｈ…ホール。

Claims (3)

1. 処理対象物を、アスペクト比が３以上の微細なホールまたはトレンチがパターニング形成されたものとし、これらホールを含む処理対象物の表面全体に亘って金属膜を成膜するためのスパッタリング方法であって、
   真空チャンバ内に処理対象物と、処理対象物に形成しようとする金属膜に応じて作製されたターゲットとを対向配置し、
   ターゲットから処理対象物に向かう方向を下、処理対象物からターゲットに向かう方向を上とし、上下方向に沿う真空チャンバの壁面に、上下方向に間隔を存して夫々巻回してなる第１のコイルと第２のコイルに１５Ａ〜３０Ａの範囲で通電して処理対象物の全面に亘って垂直な磁場が作用するように垂直磁場を発生させると共に、ターゲットの上方に設けた磁石ユニットによりターゲットの下方に磁場を作用させ、
   真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、ターゲットに所定の直流電力を投入して真空チャンバ内にプラズマを形成してターゲットをスパッタリングし、
   スパッタガスをアルゴンとして、スパッタリング中、真空チャンバ内のアルゴンの分圧を５〜３０Ｐａの範囲に保持して成膜することを特徴とするスパッタリング方法。
2. スパッタリング中、所定のバイアス電力を処理対象物に投入し、ターゲットからのスパッタ粒子やプラズマ中で電離したスパッタ粒子のイオンを引き込むようにしたことを特徴とする請求項１記載のスパッタリング方法。
3. 前記ターゲットとしてＣｕを用いることを特徴とする請求項１または請求項２記載のスパッタリング方法。
   

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