JPH06330309A - Method for forming film by collimation sputtering method and apparatus therefor - Google Patents
Method for forming film by collimation sputtering method and apparatus thereforInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、多層配線構造の半導体
装置の製造などに利用されるコリメートスパッタ法によ
る成膜方法及び装置に関するものであり、特に、多層配
線用の接続孔の埋め込みに適した成膜方法及び装置に関
するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a film forming method and apparatus by a collimated sputtering method used for manufacturing a semiconductor device having a multi-layer wiring structure, and particularly suitable for embedding a connection hole for multi-layer wiring. And a film forming method and apparatus.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ＤＲＡＭやＳＲＡＭなどの半導体装置は
年々その集積度を高めており、これに伴い回路パターン
などに対する微細細加工の必要性が高まっている。特
に、多層配線構造の半導体装置の製造において、コンタ
クトホールやビアホールなどの接続孔の埋め込み工程
は、デバイスの歩留りや信頼性に直結するという点で、
重要な工程となっている。接続孔の埋め込み材料は Al
やその合金が主要なものであるが、接続孔の底部におけ
るシリコン基板内への拡散などを回避するために、Tiや
TiN などのバリア層が形成される。従来、 Al やその
合金、あるいは Ti やTiN などでは、比較的簡易なスパ
ッタリングや反応性スパッタリング（ TiN の場合）に
よる成膜方法が広く用いられている。2. Description of the Related Art Semiconductor devices such as DRAMs and SRAMs have been increasing in the degree of integration year by year, and the need for fine processing of circuit patterns and the like has increased accordingly. In particular, in manufacturing a semiconductor device having a multi-layer wiring structure, the step of filling contact holes such as contact holes and via holes is directly connected to the yield and reliability of the device.
It is an important process. The filling material of the connection hole is Al
And its alloys are the main ones, but in order to avoid diffusion into the silicon substrate at the bottom of the connection hole, Ti and
A barrier layer such as TiN is formed. Conventionally, for Al and its alloys, Ti, TiN, etc., a relatively simple sputtering or reactive sputtering (in the case of TiN) film forming method has been widely used.
【０００３】上述のように、半導体デバイスについては
微細加工化の度合いが年々高まっており、これに伴い接
続孔の寸法もサブミクロンからハーフミクロンへと、さ
らにはサブハーフミクロンへと微細化し、直径に対する
相対的な深さを示すアスペクト比も 1.0 から 1.5 へ
と、さらには 2.0 以上へと増大しつつある。このよう
な微細かつアスペクト比の大きい接続孔への埋め込み
に、スパッタリングによる成膜の手法を適用する場合、
セルフシャドゥイング効果によって接続孔上部に先に堆
積層が形成されてしまい、この上部の堆積層に遮蔽され
てしまうことにより接続孔内部、特に底部への堆積が困
難になるという問題が生じる。As described above, the degree of microfabrication of semiconductor devices is increasing year by year, and along with this, the size of the connection holes is miniaturized from submicron to half micron, and further to subhalf micron, and the diameter is reduced. The aspect ratio, which indicates the relative depth to, is also increasing from 1.0 to 1.5, and even above 2.0. When applying the method of film formation by sputtering to embedding in such a fine and large aspect ratio connection hole,
Due to the self-shadowing effect, a deposition layer is first formed on the upper portion of the connection hole and is shielded by the deposition layer on the upper portion, which causes a problem that deposition inside the connection hole, especially on the bottom portion becomes difficult.
【０００４】上記セルフシャドゥイング効果は、ターゲ
ットから飛来する粒子がほぼランダムな入射角で基板に
到達することと、接続孔からターゲットを見た立体角が
上部ほど大きいことのため、接続孔の上部ほど飛来粒子
の堆積確率が大きくなるためである。この問題に対処す
るため種々の対策が講じられている。これらの代表的な
一つであるコリメートスパッタ法は、ターゲットと基板
との間に細長い（高アスペクト比の）開口群が形成され
たコリメータを設置し、ほぼランダムな角度で飛来する
粒子のうち基板への直進性が高いもののみを通過させ、
それ以外のものは開口群の内壁面に捕獲してしまう方法
である。The self-shadowing effect is that the particles flying from the target reach the substrate at almost random incident angles, and the solid angle when the target is seen from the connection hole is larger at the upper part. This is because the probability of deposition of flying particles increases. Various measures have been taken to deal with this problem. The collimator sputtering method, which is one of the typical examples of these methods, installs a collimator in which elongated (high aspect ratio) openings are formed between a target and a substrate, and the particles of the particles flying at almost random angles Only those that have a high straightness to go through,
The other method is to capture on the inner wall surface of the opening group.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】上述したコリメートス
パッタ法によれば、基板に向かう粒子の相当部分がコリ
メータの開口の内面に捕獲されて堆積するため、開口の
径が次第に減少してゆき遂には目詰まりが生じてしま
う。このため、実際の成膜プロセスにおいては、適宜な
周期でコリメータを交換することが必要になり、成膜プ
ロセスの稼働率が低下すると共にコリメータの交換に労
力がかかるためプロセスの運用コストが増加するという
問題がある。従って、本発明の主要な目的は、コリメー
タの交換周期を長くすることにより稼働率を高めると共
に、プロセスの運用コストを低減したコリメートスパッ
タ法による成膜方法及び装置を提供することにある。According to the above-mentioned collimating sputtering method, since a considerable part of the particles toward the substrate is trapped and deposited on the inner surface of the opening of the collimator, the diameter of the opening is gradually reduced until it becomes smaller. Clogging will occur. For this reason, in the actual film forming process, it is necessary to replace the collimator at an appropriate cycle, which reduces the operating rate of the film forming process and increases the operation cost of the process because it requires labor to replace the collimator. There is a problem. Therefore, a main object of the present invention is to provide a film forming method and apparatus by the collimate sputtering method, in which the operating rate is increased by prolonging the replacement period of the collimator and the operating cost of the process is reduced.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明のコリメートスパ
ッタ法による成膜方法及び装置によれば、コリメータを
振動させることによりコリメータの開口の内面への粒子
の堆積を抑制するように構成されている。According to the film forming method and apparatus by the collimate sputtering method of the present invention, the accumulation of particles on the inner surface of the opening of the collimator is suppressed by vibrating the collimator. .
【０００７】[0007]
【作用】コリメータの開口の内面に堆積されるターゲッ
ト金属やその化合物などの粒子は、堆積密度が小さな初
期の状態では開口の内面に直接あるい他の堆積粒子を介
して間接的に比較的弱い力で吸着されていると考えられ
る。この初期状態の脆弱な堆積層が超音波振動子などに
よって高速で振動せしめられると、未堆積の粒子や、放
電用のアルゴンガス、あるいは反応用の窒素ガスなど他
の粒子と激しく衝突して弾き跳ばされることにより、堆
積層の成長が妨げられると考えられる。The particles such as the target metal and its compound deposited on the inner surface of the opening of the collimator are relatively weak indirectly via the other deposited particles directly on the inner surface of the opening in the initial state where the deposition density is small. It is thought that it is adsorbed by force. When the fragile deposition layer in the initial state is vibrated at a high speed by an ultrasonic oscillator, etc., it repels by violently colliding with other particles such as undeposited particles, argon gas for discharge, or nitrogen gas for reaction. It is considered that the growth of the deposited layer is hindered by being skipped.
【０００８】[0008]
【実施例】図１は、本発明の一実施例のコリメートスパ
ッタ法による成膜装置の構成図であり、１は真空チャン
バー、２はターゲット、３は基板（半導体ウエーハ）ホ
ルダー、４はコリメータ、５ａ，５ｂはコリメータ保持
棒、６ａ，６ｂは超音波振動子、７は排気装置、８は放
電用高周波電源、９は振動子励振用高周波電源、１０は
Ａｒガス供給管、１１は窒素ガス供給管である。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a block diagram of a film forming apparatus using a collimating sputtering method according to an embodiment of the present invention. 1 is a vacuum chamber, 2 is a target, 3 is a substrate (semiconductor wafer) holder, 4 is a collimator, Reference numerals 5a and 5b are collimator holding rods, 6a and 6b are ultrasonic vibrators, 7 is an exhaust device, 8 is a high frequency power supply for discharge, 9 is a high frequency power supply for vibrator excitation, 10 is an Ar gas supply pipe, and 11 is a nitrogen gas supply. It is a tube.
【０００９】真空チャンバー１内のターゲットホルダー
上に Ti などを素材とするターゲット２が保持されてい
る。さらに、この真空チャンバー1 内には、ターゲット
２と対向して、基板ホルダー３が設置されており、この
基板ホルダー３に接続孔が形成されたシリコン半導体ウ
エーハ（基板）SUB が保持される構成となっている。真
空チャンバー１内にはArガス供給管１０を通してArガス
が供給されると共に、反応性スパッタリングの場合には
窒素ガス供給管１１を通して窒素ガス（N2）が供給され
る構成となっている。真空チャンバー１内のArガスと窒
素ガスの分圧は、それぞれの供給量と排気装置７とによ
って最適の値に保持される。A target 2 made of Ti or the like is held on a target holder in the vacuum chamber 1. Further, a substrate holder 3 is installed in the vacuum chamber 1 so as to face the target 2, and a silicon semiconductor wafer (substrate) SUB having a connection hole is held in the substrate holder 3. Has become. Ar gas is supplied into the vacuum chamber 1 through the Ar gas supply pipe 10, and in the case of reactive sputtering, nitrogen gas (N 2 ) is supplied through the nitrogen gas supply pipe 11. The partial pressures of Ar gas and nitrogen gas in the vacuum chamber 1 are maintained at optimum values by the respective supply amounts and the exhaust device 7.
【００１０】放電用高周波電源８から供給される高周波
の高電界によってターゲット２と基板ホルダー３との間
のＡｒガス中でグロー放電が生じ、電離したＡｒイオン
がターゲット２に衝突する。ターゲット２からは、その
素材である Ti などの金属イオンが飛び出し、コリメー
タ４の高アスペクト比の開口群を通って基板ホルダー３
に向けて飛翔する。この金属イオン、例えばTiイオン
は、反応性スパッタリングの場合には飛翔途中でチャン
バー１内の窒素ガスと化合して TiNとなり、基板ホルダ
ー３上に保持された半導体基板の表面に堆積する。A glow discharge is generated in the Ar gas between the target 2 and the substrate holder 3 by a high-frequency high electric field supplied from the high-frequency power source 8 for discharge, and ionized Ar ions collide with the target 2. From the target 2, metal ions such as Ti, which is the material, jump out, pass through the high-aspect-ratio aperture group of the collimator 4, and the substrate holder 3
Fly towards. In the case of reactive sputtering, this metal ion, for example, Ti ion, combines with nitrogen gas in the chamber 1 during flight to become TiN, and is deposited on the surface of the semiconductor substrate held on the substrate holder 3.
【００１１】コリメータ４は４本のコリメータ保持棒で
支承されており、このうちの２本が５ａ，５ｂとして図
示されている。各コリメータ保持棒とコリメータ４との
間に４個の超音波振動子が設置されており、このうちの
２個が超音波振動子６ａ，６ｂとして図示されている。
各超音波振動子は、例えば、Ni合金やフェライトを主体
とする磁歪振動子から構成されており、励振用高周波電
源９から超音波帯域(60KHz〜200KHz) の高周波電力を受
けて図中の上下方向に振動し、コリメータ４を振動させ
る。コリメータ４が高周波で振動することにより、基板
SUB に向けて飛翔するTiイオンやTiN などの粒子が開口
の内周面に付着して堆積するのを防止する。The collimator 4 is supported by four collimator holding rods, two of which are shown as 5a and 5b. Four ultrasonic transducers are installed between each collimator holding rod and the collimator 4, two of which are shown as ultrasonic transducers 6a and 6b.
Each ultrasonic vibrator is composed of, for example, a magnetostrictive vibrator mainly composed of Ni alloy or ferrite, receives high frequency power in the ultrasonic band (60 KHz to 200 KHz) from the high frequency power source 9 for excitation, and the upper and lower parts in the figure. The collimator 4 is vibrated in the direction. As the collimator 4 vibrates at high frequency,
Prevents particles such as Ti ions and TiN flying toward the SUB from adhering to and depositing on the inner surface of the opening.
【００１２】本発明者は、コリメータの寿命と振動周波
数との関係について実験を行った。ただし、コリメータ
４の寿命は、開口群のうち最初に目詰まりが生じたもの
についてこの目詰まりが生じるまでの使用開始からの経
過時間とした。コリメータとして SUS304 製のハニカム
構造( 直径 200 mm,厚み300 mm, 平行面間隔 3mm )のも
のを使用し、ターゲットとして直径 200mmのチタンを使
用した。また、電離ガスとして分圧2mTorrのArガスを使
用し、反応性ガスとして分圧3 〜5mTorrの窒素ガスを使
用した。振動の振幅を一定に保ちながら、励振周波数を
60KHz 〜200KHzまで変化させた場合のコリメータの寿命
を図２に示す。横軸は、励振周波数であり、縦軸は振動
させない場合の寿命に対する相対値である。The present inventor conducted an experiment on the relationship between the life of the collimator and the vibration frequency. However, the life of the collimator 4 is defined as the elapsed time from the start of use until the clogging occurs for the first clogging of the opening group. A SUS304 honeycomb structure (diameter 200 mm, thickness 300 mm, parallel plane spacing 3 mm) was used as the collimator, and titanium with a diameter of 200 mm was used as the target. Further, Ar gas with a partial pressure of 2 mTorr was used as the ionizing gas, and nitrogen gas with a partial pressure of 3 to 5 mTorr was used as the reactive gas. While keeping the amplitude of vibration constant, set the excitation frequency
Figure 2 shows the life of the collimator when changing from 60KHz to 200KHz. The horizontal axis is the excitation frequency, and the vertical axis is the relative value to the life when no vibration is performed.
【００１３】図２の実験データから明らかなように、コ
リメータを振動させることによりその寿命が大幅に延長
されており、特に励振周波数が100KHzを超えるとこの励
振周波数の増加と共に寿命の延びが顕著になる。最高の
200kHzの周波数では、振動させない場合に比べて１桁近
くも寿命が延びている。As is apparent from the experimental data of FIG. 2, the life of the collimator is greatly extended by vibrating the collimator. Particularly, when the excitation frequency exceeds 100 KHz, the extension of the life becomes remarkable with the increase of the excitation frequency. Become. the best
At a frequency of 200kHz, the life is extended by almost an order of magnitude compared to when it is not vibrated.
【００１４】図３は、コリメータの使用を開始してから
一定時間が経過した時点での開口内のTiN の堆積の状況
を断面図面であり、（Ａ）は200KHzで励振した場合,
（Ｂ）は励振しない場合である。コリメータを振動させ
た場合は、開口内に比較的均一に堆積層が形成されてい
る。これに対し、コリメータを振動させない場合には、
開口内に不均一にかつターゲットに近い側ほど厚く堆積
層形成されている。図２と図３の実験データから、振動
による寿命の延びは明らかである。FIG. 3 is a cross-sectional view showing the state of TiN deposition in the opening when a certain time has passed since the use of the collimator was started.
(B) is the case where no excitation is performed. When the collimator is vibrated, the deposited layer is formed relatively uniformly in the opening. On the other hand, when the collimator is not vibrated,
A deposition layer is formed in the opening unevenly and thicker on the side closer to the target. From the experimental data of FIG. 2 and FIG. 3, the extension of the life due to vibration is clear.
【００１５】以上、振動子として磁歪振動子を使用する
構成を例示したが、圧電効果を利用する振動子を使用す
ることもできる。Although the structure using the magnetostrictive vibrator as the vibrator has been described above, a vibrator utilizing the piezoelectric effect can also be used.
【００１６】[0016]
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
コリメートスパッタ法による成膜方法及び装置はコリメ
ータを振動させる構成であるから、開口内への堆積層の
形成が抑制され、寿命が大幅に延長される。このため、
コリメータの交換回数が大幅に低減され、成膜プロセス
の稼働率が大幅に向上する。また、交換作業に費やす労
力も軽減され、プロセスの運用コストも低減される。As described above in detail, since the film forming method and apparatus by the collimating sputtering method according to the present invention is configured to vibrate the collimator, formation of a deposited layer in the opening is suppressed and the life is shortened. Significantly extended. For this reason,
The number of times the collimator is replaced is greatly reduced, and the operating rate of the film formation process is greatly improved. Further, the labor required for the replacement work is reduced, and the operation cost of the process is also reduced.
【図１】本発明の一実施例に係わるコリメートスパッタ
法による成膜装置の構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a film forming apparatus by a collimate sputtering method according to an embodiment of the present invention.
【図２】上記実施例の成膜装置について得られたコリメ
ータの寿命と励振周波数との関係を示す実験データであ
る。FIG. 2 is experimental data showing the relationship between the life of the collimator and the excitation frequency, obtained for the film forming apparatus of the above-mentioned embodiment.
【図３】上記実施例の成膜装置について得られたコリメ
ータの開口内の堆積層の形成の状況を、振動させた場合
（Ａ）と振動させない場合（Ｂ）とを比較して示す実験
データである。FIG. 3 is an experimental data showing a state of formation of a deposited layer in an opening of a collimator obtained by the film forming apparatus of the above-mentioned example, comparing the case of vibrating (A) and the case of not vibrating (B). Is.
１ 真空チャンバー ２ ターゲット ３ 基板ホルダー ４ コリメータ 5a,5b コリメータ保持棒 6a,6b 超音波振動子 ８ 放電用高周波電源 ９ 振動子励振用高周波電源 1 Vacuum chamber 2 Target 3 Substrate holder 4 Collimator 5a, 5b Collimator holding rod 6a, 6b Ultrasonic vibrator 8 High frequency power supply for discharge 9 High frequency power supply for vibrator excitation
Claims (4)
の金属の化合物から成る粒子をコリメータを通して半導
体ウエーハの表面に形成された多層配線用の接続孔内に
到達させて堆積させる成膜方法において、 前記成膜中に前記コリメータを振動させることを特徴と
するコリメートスパッタ法による成膜方法。1. A film forming method in which particles produced by sputtering or particles made of a compound of this metal are made to reach through a collimator into a connection hole for multi-layer wiring formed on the surface of a semiconductor wafer to be deposited. A film forming method by a collimating sputtering method, characterized in that the collimator is vibrated inside.
の金属の化合物から成る粒子をコリメータを通して半導
体ウエーハの表面に形成された多層配線用の接続孔内に
到達させて堆積させる成膜装置において、 前記成膜中に前記コリメータを振動させる手段を備えた
ことを特徴とするコリメートスパッタ法による成膜装
置。2. A film forming apparatus for depositing particles of a metal or a compound of this metal produced by sputtering, which reaches through a collimator into a connection hole for multilayer wiring formed on the surface of a semiconductor wafer and deposits the same. A film forming apparatus by a collimate sputtering method, characterized in that a means for vibrating the collimator is provided therein.
ることを特徴とするコリメートスパッタ法による成膜方
法及び装置。3. The film forming method and apparatus according to claim 2, wherein the means for vibrating the collimator is an ultrasonic vibrator.
ことを特徴とするコリメートスパッタ法による成膜装置
及び方法。4. The film forming apparatus and method according to claim 3, wherein the ultrasonic vibrator is excited at a frequency of 100 KHz or higher.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14159493A JPH06330309A (en) | 1993-05-20 | 1993-05-20 | Method for forming film by collimation sputtering method and apparatus therefor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14159493A JPH06330309A (en) | 1993-05-20 | 1993-05-20 | Method for forming film by collimation sputtering method and apparatus therefor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06330309A true JPH06330309A (en) | 1994-11-29 |
Family
ID=15295643
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14159493A Withdrawn JPH06330309A (en) | 1993-05-20 | 1993-05-20 | Method for forming film by collimation sputtering method and apparatus therefor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06330309A (en) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1993
- 1993-05-20 JP JP14159493A patent/JPH06330309A/en not_active Withdrawn
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