JP2012197463A - Film deposition method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a film deposition method which can increase the rate of film deposition over a substrate to thereby efficiently deposit a film on the bottom surface of a trench or via-hole.SOLUTION: The film deposition method is a film deposition method for depositing a film over a substrate having a trench or a via-hole having a level difference with an aperture width or an aperture diameter of 3 μm or less and an aspect ratio of 1 or more. There are provided, in an evacuatable treatment chamber, a first electrode for supporting the substrate, a second electrode disposed opposite to the substrate and supporting a target, and a plurality of magnets which are disposed outside the second electrode and generate a cusp magnetic field inside the second electrode. The method includes introducing an Ne-containing treatment gas into the treatment chamber, supplying a high-frequency electric power for plasma generation to at least either of the first electrode and the second electrode, forming a cusp magnetic field on the second electrode to generate a plasma, and thereby depositing a film of the target material over the substrate having the trench or the via-hole.

Description

本発明は、半導体集積回路デバイス等における薄膜の成膜方法に係り、特に、開口幅又は開口径が3μm以下で、かつ、アスペクト比が1以上の段差であるトレンチやビアホールを有する基板上に薄膜を成膜する方法に関する。   The present invention relates to a method for forming a thin film in a semiconductor integrated circuit device or the like, and in particular, a thin film on a substrate having a trench or via hole having an opening width or opening diameter of 3 μm or less and an aspect ratio of 1 or more. The present invention relates to a method for forming a film.


高いイオン集中、より良いターゲット利用効率、高い成膜速度、そして、成膜の厚みが均一性が得られるプラズマ・スパッタ処理装置が提案されている。
図15は、従来のプラズマ・スパッタ処理装置の一例を示す断面図である。図15記載のプラズマ・スパッタ処理装置は、反応容器100の内部空間の少なくとも一部を介して平行に互いに向かい合う上部電極101と下部電極123を備えてなる反応容器100と上部電極101に固定されたターゲットプレート107とを備え、スパッタ工程によって処理される必要のある基板127は下部電極123の上に搭載されており、HF領域またはVHF領域で動作する1つの第1のrf電源118とMF領域で動作する他のrf電源1220が上部電極101に接続されている。図15のプラズマ・スパッタ処理装置によれば、イオン密度とイオンエネルギの独立した制御とターゲット材料の均一なエッチング速度とを伴って、基板127の全表面にわたる平面において均一に分散された大きな面積の高密度プラズマを作り出すことができ、かつ低いアスペクト比を有するプラズマ源を実現することができる(特許文献1参照)。

There has been proposed a plasma sputter processing apparatus capable of obtaining high ion concentration, better target utilization efficiency, high film formation speed, and uniform film formation thickness.
FIG. 15 is a cross-sectional view showing an example of a conventional plasma sputtering apparatus. The plasma sputtering apparatus shown in FIG. 15 is fixed to the reaction vessel 100 and the upper electrode 101 including the upper electrode 101 and the lower electrode 123 facing each other in parallel via at least a part of the internal space of the reaction vessel 100. A substrate 127 that includes a target plate 107 and that needs to be processed by a sputtering process is mounted on the lower electrode 123. In the MF region, one first rf power source 118 that operates in the HF region or the VHF region. Another rf power source 1220 that operates is connected to the upper electrode 101. According to the plasma sputter processing apparatus of FIG. 15, a large area uniformly distributed in a plane over the entire surface of the substrate 127 with independent control of ion density and ion energy and uniform etching rate of the target material. A high-density plasma can be created, and a plasma source having a low aspect ratio can be realized (see Patent Document 1).

特開平2000−156374号公報(図1)JP 2000-156374 A (FIG. 1)

しかし、市場の進化により特許文献1の技術に比べより高成膜効率、高カバレッジ率を求められるようになってきている。 However, due to the evolution of the market, higher film formation efficiency and higher coverage rate are required compared to the technique of Patent Document 1.

一方、図15記載のプラズマ・スパッタ処理装置において、上部電極101に印加する電力を上げると、電源から電極までの間の経路にかかる電圧が大きくなるために耐圧性能を上げる必要があり構造が複雑になり、耐圧性能の高い素材や構造はより高価である場合が多いために原価があがることや、また設計を十分に検討しないと電極にかかる電圧が大きいために異常放電を発生させやすくなるという問題があり、本発明者の知りうる範囲でこの点を解消するものは未だ知られていない。
また、昨今の省エネブームもあり、印加する電力を維持したまま薄膜の成膜速度を上げることや、ボトムカバレッジ率を上げることは非常に有用である。
そこで、本発明は、上記の事情に鑑み、開口幅又は開口径が3μm以下で、かつ、アスペクト比が1以上の段差であるトレンチやビアホールを有する基板上に薄膜を成膜するに際し適用する。その際、本発明は、カソード電極として機能する上部電極に同じ電力を印加してもトレンチやビアホール底面への薄膜の成膜速度を増加することができる薄膜の成膜方法をを提供することを目的としている。
On the other hand, in the plasma sputtering apparatus shown in FIG. 15, if the power applied to the upper electrode 101 is increased, the voltage applied to the path from the power source to the electrode increases, so that the withstand voltage performance needs to be increased and the structure is complicated. Therefore, materials and structures with high pressure resistance performance are often more expensive, which increases costs, and if the design is not fully studied, the voltage applied to the electrodes is large and abnormal discharge is likely to occur. There is a problem, and it is not yet known what resolves this point as far as the inventors can know.
In addition, there is a recent energy-saving boom, and it is very useful to increase the deposition rate of the thin film and increase the bottom coverage rate while maintaining the applied power.
Therefore, in view of the above circumstances, the present invention is applied when a thin film is formed on a substrate having a trench or a via hole having an opening width or an opening diameter of 3 μm or less and an aspect ratio of 1 or more. In this case, the present invention provides a thin film deposition method capable of increasing the deposition rate of the thin film on the bottom surface of the trench or via hole even when the same power is applied to the upper electrode functioning as the cathode electrode. It is aimed.

上記の目的を達成すべく成された本発明の構成は以下の通りである。   The configuration of the present invention made to achieve the above object is as follows.

即ち、開口幅又は開口径が3μm以下で、かつ、アスペクト比が1以上の段差であるトレンチ又はビアホールを有する基板上に薄膜を成膜する成膜方法であって、
真空排気可能な処理室に、基板を支持する第1の電極と、前記基板に対向するように配置されターゲットを支持する第2の電極と、前記第2の電極の外側に配置されて当該第2の電極の内側にカスプ磁界を形成する複数のマグネットと、を備え、
前記処理室にNeを含む処理ガスを導入し、前記第1の電極と前記第2の電極の少なくとも一方にプラズマ形成用の高周波電力を供給すると共に、前記第2の電極上にカスプ磁場を生成してプラズマを発生させ、ターゲット物質をトレンチ又はビアホールを有する基板上に成膜することを特徴とする薄膜の成膜方法である。
That is, a film forming method for forming a thin film on a substrate having a trench or a via hole having an opening width or an opening diameter of 3 μm or less and an aspect ratio of 1 or more,
In a processing chamber capable of being evacuated, a first electrode that supports a substrate, a second electrode that is disposed so as to face the substrate and supports a target, and is disposed outside the second electrode. A plurality of magnets for forming a cusp magnetic field inside the two electrodes,
A processing gas containing Ne is introduced into the processing chamber, high frequency power for plasma formation is supplied to at least one of the first electrode and the second electrode, and a cusp magnetic field is generated on the second electrode. Then, plasma is generated and a target material is deposited on a substrate having a trench or a via hole.

本発明に係る薄膜の成膜方法は、、開口幅又は開口径が3μm以下で、かつ、アスペクト比が1以上の段差であるトレンチやビアホールを有する基板上に薄膜を成膜するに際して適用される。ArよりNeの方が軽い為に、ターゲットからスパッタされた金属粒子がNeと衝突しても金属粒子の進行方向を大きく変えられることが少なく基板に付着する確立が高くなる。そのため、Neガスを添加することでカソード電極として機能する第2の電極に同じ電力を印加しても基板上への薄膜の成膜速度が増加する。その結果、1枚の基板にかかる時間が短くなることで装置の処理能力が向上する。   The thin film formation method according to the present invention is applied when forming a thin film on a substrate having a trench or a via hole having an opening width or an opening diameter of 3 μm or less and an aspect ratio of 1 or more. . Since Ne is lighter than Ar, even if the metal particles sputtered from the target collide with Ne, the traveling direction of the metal particles is hardly changed, and the probability of adhesion to the substrate is increased. Therefore, by adding Ne gas, the deposition rate of the thin film on the substrate increases even when the same power is applied to the second electrode functioning as the cathode electrode. As a result, the processing time of the apparatus is improved by reducing the time required for one substrate.

また、ArよりNeの方が軽い為に、ターゲットからスパッタされた金属粒子がNeと衝突してよりイオン化される。そのため、開口幅又は開口径が3μm以下で、かつ、アスペクト比が1以上の段差であるトレンチやビアホールを有する基板上に薄膜を成膜するに際には、Neガスを添加することでカソード電極として機能する上部電極に同じ電力を印加してもトレンチやビアホール底面への薄膜の成膜速度が増加する。その結果、1枚の基板にかかる時間が短くなることで装置の処理能力が向上する。   Further, since Ne is lighter than Ar, metal particles sputtered from the target collide with Ne and are more ionized. Therefore, when a thin film is formed on a substrate having a trench or via hole having an opening width or diameter of 3 μm or less and an aspect ratio of 1 or more, a cathode electrode is formed by adding Ne gas. Even when the same power is applied to the upper electrode functioning as a thin film, the deposition rate of the thin film on the bottom surface of the trench or via hole increases. As a result, the processing time of the apparatus is improved by reducing the time required for one substrate.

本発明に係る薄膜の成膜方法を実施するプラズマ処理装置を例示する模式図である。It is a schematic diagram which illustrates the plasma processing apparatus which enforces the film-forming method of the thin film which concerns on this invention. プラズマ処理装置の上壁(外側)における構造とその内側の構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure in the upper wall (outside) of a plasma processing apparatus, and the structure of the inner side. 基板の断面形状を示す概略図である。It is the schematic which shows the cross-sectional shape of a board | substrate. プラズマ処理装置のマグネットの磁場を示すトッププレートの部分断面図である。It is a fragmentary sectional view of the top plate which shows the magnetic field of the magnet of a plasma treatment apparatus. マグネットの配列(I)を示すトッププレートの1/4領域の平面図である。It is a top view of the 1/4 area | region of the top plate which shows the arrangement | sequence (I) of a magnet. マグネットの配列(II)を示すトッププレートの1/4領域の平面図である。It is a top view of the 1/4 area | region of the top plate which shows arrangement | sequence (II) of a magnet. マグネットとトッププレートとから構成される磁石機構により発生するカスプ磁場を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the cusp magnetic field which generate | occur | produces with the magnet mechanism comprised from a magnet and a top plate. 本発明に係る薄膜の成膜方法における成膜状況を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the film-forming condition in the film-forming method of the thin film concerning this invention. マグネットによる磁場と高周波電源による電界との関係を示した上面図である。It is the top view which showed the relationship between the magnetic field by a magnet, and the electric field by a high frequency power supply. チタン(Ti)の成膜速度のNe添加率依存性を示す図である。It is a figure which shows the Ne addition rate dependence of the film-forming speed | rate of titanium (Ti). 銅(Cu)の成膜速度のカソード電極の電力依存性を示す図である。It is a figure which shows the electric power dependence of the cathode electrode of the film-forming speed | rate of copper (Cu). チタン(Ti)の成膜速度のN2添加率依存性を示す図である。It is a figure which shows the N2 addition rate dependence of the film-forming speed | rate of titanium (Ti). 銅(Cu)のボトムカバレッジ率のアノード電力依存性を示す図である。It is a figure which shows the anode electric power dependence of the bottom coverage rate of copper (Cu). チタン(Ti)のボトムカバレッジ率のアスペクト比依存性を示す図である。It is a figure which shows the aspect-ratio dependence of the bottom coverage rate of titanium (Ti). 従来のプラズマ・スパッタ処理装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the conventional plasma sputter | spatter processing apparatus.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the embodiments.

まず、図1から図3を参照して、本発明に係る薄膜の成膜方法を実施するプラズマ処理装置の構成について説明する。図1は、本発明に係る薄膜の成膜方法を実施するプラズマ処理装置を例示する模式図である。図2は、プラズマ処理装置の上壁(外側)における構造とその内側の構造を示す概略図である。図3は、基板の断面形状を示す概略図である。   First, with reference to FIGS. 1 to 3, the configuration of a plasma processing apparatus for carrying out the thin film forming method according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic view illustrating a plasma processing apparatus for performing a thin film forming method according to the present invention. FIG. 2 is a schematic view showing a structure on the upper wall (outer side) of the plasma processing apparatus and a structure on the inner side thereof. FIG. 3 is a schematic view showing a cross-sectional shape of the substrate.

図1及び図2に示すように、本実施形態では、基板17上に薄膜を成膜するプラズマ処理装置として、例えば、マグネトロンスパッタリング装置を例示している。本実施形態のスパッタリング処理装置は、処理室として真空排気可能な反応容器10を備え、反応容器10内に基板17を支持するアノード電極15(第1の電極15)と、基板17に対向するように配され、不図示のターゲットを支持するカソード電極11(第2の電極11)と、を備えている。このスパッタリング処理は、反応容器10内の処理室に処理ガスを導入し、カソード電極11及びアノード電極15に高周波電源19、高周波電源8から異なる電力を印可すると共に、カソード電極11にカスプ磁場を形成する。これにより、スパッタリング装置は、処理室にプラズマを発生させ、基板17上にターゲット物質の薄膜を成膜する。   As shown in FIGS. 1 and 2, in the present embodiment, as a plasma processing apparatus for forming a thin film on a substrate 17, for example, a magnetron sputtering apparatus is illustrated. The sputtering apparatus of this embodiment includes a reaction vessel 10 that can be evacuated as a processing chamber, and an anode electrode 15 (first electrode 15) that supports a substrate 17 in the reaction vessel 10 and a substrate 17. And a cathode electrode 11 (second electrode 11) that supports a target (not shown). In this sputtering process, a processing gas is introduced into a processing chamber in the reaction vessel 10, different electric power is applied to the cathode electrode 11 and the anode electrode 15 from the high-frequency power source 19 and the high-frequency power source 8, and a cusp magnetic field is formed on the cathode electrode 11. To do. Thus, the sputtering apparatus generates plasma in the processing chamber and forms a thin film of the target material on the substrate 17.

反応容器10の排気ポート18には、不図示のコンダクタンスバルブ等を介して排気ポンプ等の排気装置が接続されている。また、反応容器10には、処理ガス(プロセスガス)の導入手段として、流量制御器やバルブなどを備えたガス導入系25が接続され、このガス導入系25から処理ガスが所定の流量で導入される(図4参照)。   An exhaust device such as an exhaust pump is connected to the exhaust port 18 of the reaction vessel 10 via a conductance valve (not shown). The reaction vessel 10 is connected with a gas introduction system 25 having a flow rate controller, a valve, and the like, as means for introducing a processing gas (process gas), and the processing gas is introduced from the gas introduction system 25 at a predetermined flow rate. (See FIG. 4).

本実施形態の処理ガスとしては、Ne含む混合ガスを用いることができる。反応性スパッタリングを行う場合には、Ne含む混合ガスと酸素及び窒素からなる反応性ガスとの混合ガスを用いることができる。反応性ガスは、酸素及び窒素からなるガス群より選択された少なくとも1種から選択して用いられる。   As the processing gas of this embodiment, a mixed gas containing Ne can be used. When reactive sputtering is performed, a mixed gas of a mixed gas containing Ne and a reactive gas composed of oxygen and nitrogen can be used. The reactive gas is selected from at least one selected from a gas group consisting of oxygen and nitrogen.

この反応容器10は、トッププレート11と円筒型側壁12とボトムプレート13から構成されている。円筒型側壁12の下側部分12bとボトムプレート13は、例えば、ステンレス鋼またはアルミニウム(Al)等の金属によって形成されている。円筒型側壁12の上側部分12aは、セラミック(誘電体物質)によって形成されている。トッププレート11は平板円形形状を呈し、例えば、Al等の非磁性金属によって形成されている。   The reaction vessel 10 includes a top plate 11, a cylindrical side wall 12, and a bottom plate 13. The lower portion 12b and the bottom plate 13 of the cylindrical side wall 12 are made of, for example, a metal such as stainless steel or aluminum (Al). The upper portion 12a of the cylindrical side wall 12 is made of ceramic (dielectric material). The top plate 11 has a flat plate shape, and is made of a nonmagnetic metal such as Al.

トッププレート11は、円筒型側壁12の上側部分12aの上に搭載されているので、反応容器10の他の部分から電気的に絶縁されている。トッププレート11は、プラズマを生成するときにカソード電極として機能する。カソード電極11は、整合回路20を介して可変電圧を印可可能な高周波電源19に接続されている。カソード電極11には、高周波電源19から必要な高周波電力が給電される。カソード電極11の上(背面)には、複数のマグネット6で構成された磁石機構が配置されている。この磁石機構を設けることによって、プラズマを高密度で形成することができる。この磁石機構は、典型的には、極性の異なる磁石を四角形の頂点毎に配置した構造の回路であり、カスプ磁場(Cusp Field)を生成する。磁石機構の詳細については、後述する。   Since the top plate 11 is mounted on the upper portion 12 a of the cylindrical side wall 12, it is electrically insulated from other portions of the reaction vessel 10. The top plate 11 functions as a cathode electrode when generating plasma. The cathode electrode 11 is connected via a matching circuit 20 to a high frequency power source 19 that can apply a variable voltage. The cathode electrode 11 is supplied with necessary high frequency power from a high frequency power source 19. A magnet mechanism composed of a plurality of magnets 6 is disposed on the cathode electrode 11 (back surface). By providing this magnet mechanism, plasma can be formed at a high density. This magnet mechanism is typically a circuit having a structure in which magnets having different polarities are arranged at each vertex of a quadrangle, and generates a cusp magnetic field (Cusp Field). Details of the magnet mechanism will be described later.

カソード電極11の前面(下面)に支持されるターゲットの材料としては、例えばタンタル(Ta)、銅(Cu)やチタン(Ti)等の単一組成のものを用いることができ、GeSbTeやNiFeの様な2以上の組成からなる複合組成のものも用いることができる。ターゲット材料のうち、TaやCuは非磁性材料であり、一方、NiFeは磁性材料である。   As a target material supported on the front surface (lower surface) of the cathode electrode 11, for example, a material having a single composition such as tantalum (Ta), copper (Cu), titanium (Ti) or the like can be used, and GeSbTe or NiFe can be used. A composite composition composed of two or more such compositions can also be used. Of the target materials, Ta and Cu are non-magnetic materials, while NiFe is a magnetic material.

なお、円筒型側壁12の上側部分12aと下側部分12bの直径は同じである。当該直径の値は重要な問題ではなく、40cmから60cmの間で変わり得る。円筒型側壁12のセラミック部分12aの高さは同様にまた重要ではなく、1cmから5cmの範囲に存在する。円筒型側壁12の下側部分12bとボトムプレート13は接地線14を介して電気的に接地されている。トッププレート11の直径は、円筒型側壁12の直径に相当する。   In addition, the diameter of the upper part 12a and the lower part 12b of the cylindrical side wall 12 is the same. The diameter value is not an important issue and can vary between 40 cm and 60 cm. The height of the ceramic portion 12a of the cylindrical side wall 12 is likewise not critical and is in the range of 1 cm to 5 cm. The lower portion 12 b of the cylindrical side wall 12 and the bottom plate 13 are electrically grounded via a ground wire 14. The diameter of the top plate 11 corresponds to the diameter of the cylindrical side wall 12.

反応容器10の内部空間には、ボトムプレート13上に取り付けられたアノード電極15として機能する基板ホルダ15が配されている。この基板ホルダ15は、例えば整合回路9を介して可変電圧を印可可能な高周波電源8に接続されている。この高周波電源8は反応容器10の外側に配置されている。   A substrate holder 15 that functions as an anode electrode 15 mounted on the bottom plate 13 is disposed in the internal space of the reaction vessel 10. The substrate holder 15 is connected to a high-frequency power source 8 capable of applying a variable voltage via, for example, a matching circuit 9. The high frequency power source 8 is disposed outside the reaction vessel 10.

反応容器10内での処理対象となる基板17は、静電吸着保持装置等の不図示の基板保持機構により基板ホルダ15上に保持される。基板ホルダ15は、ボトムプレート13に平行に配置され、絶縁体16によって反応容器10から電気的に絶縁されている。基板ホルダ15は、例えば、円板状の保持テーブルであって、静電吸着用電極等の不図示の保持機構を備えている。基板ホルダ15は、その上面(表面)に基板17を載置し、保持機構により基板17はその処理面を上方へ臨ませて保持される。   The substrate 17 to be processed in the reaction vessel 10 is held on the substrate holder 15 by a substrate holding mechanism (not shown) such as an electrostatic adsorption holding device. The substrate holder 15 is disposed in parallel to the bottom plate 13 and is electrically insulated from the reaction vessel 10 by the insulator 16. The substrate holder 15 is a disk-shaped holding table, for example, and includes a holding mechanism (not shown) such as an electrostatic chucking electrode. The substrate holder 15 mounts the substrate 17 on its upper surface (front surface), and the substrate 17 is held by the holding mechanism with its processing surface facing upward.

なお、基板ホルダ15は、モータ等の不図示の回転機構により、基板17の面内方向に回転可能に形成してもよい。また、基板ホルダ15には、ヒータ等の不図示の加熱機構を内蔵していることが好ましい。本実施形態の基板温度は、例えば、マイナス90℃からプラス900℃の温度範囲で設定することができる。   The substrate holder 15 may be formed to be rotatable in the in-plane direction of the substrate 17 by a rotation mechanism (not shown) such as a motor. The substrate holder 15 preferably includes a heating mechanism (not shown) such as a heater. The substrate temperature of the present embodiment can be set in a temperature range of, for example, minus 90 ° C. to plus 900 ° C.

基板17としては、例えば、半導体ウエハが挙げられ、基板のみの状態もしくはトレイに搭載された状態で、基板ホルダ15に保持される。基板17は、図3に示すように、開口幅又は開口径が3μm以下で、かつ、アスペクト比(深さ/開口幅又は開口径)が1以上の凹状段差であるトレンチ31やビアホール32を有している。以下、トレンチ31やビアホール32を単に段差と呼ぶこともある。トレンチ31やビアホール32は、底部33及び内側壁34を有している。基板17としては、シリコンウエハなどの単結晶半導体基板、多結晶シリコン膜、微結晶シリコン膜やアモルファスシリコン膜などの非単結晶シリコン膜を持ったガラス基板、GaAsなどの化合物半導体基板を用いることができる。また、基板17は、各種素子、例えば、トランジスタ、コンデンサー、光電変換素子が設けられたものであってもよい。   An example of the substrate 17 is a semiconductor wafer, which is held by the substrate holder 15 in a state where only the substrate is mounted or a state where the substrate 17 is mounted on a tray. As shown in FIG. 3, the substrate 17 has a trench 31 and a via hole 32 which are concave steps having an opening width or opening diameter of 3 μm or less and an aspect ratio (depth / opening width or opening diameter) of 1 or more. is doing. Hereinafter, the trench 31 and the via hole 32 may be simply referred to as a step. The trench 31 and the via hole 32 have a bottom 33 and an inner wall 34. As the substrate 17, a single crystal semiconductor substrate such as a silicon wafer, a polycrystalline silicon film, a glass substrate having a non-single crystal silicon film such as a microcrystalline silicon film or an amorphous silicon film, or a compound semiconductor substrate such as GaAs may be used. it can. The substrate 17 may be provided with various elements such as a transistor, a capacitor, and a photoelectric conversion element.

次に、図4から図7を参照して、トッププレート11上に配置した磁石機構について詳細に説明する。図4は、プラズマ処理装置のマグネットの磁場を示すトッププレートの部分断面図である。図5は、マグネットの配列(I)を示すトッププレートの1/4領域の平面図である。図6は、マグネットの配列(II)を示すトッププレートの1/4領域の平面図である。図7は、図5に示すマグネットとトッププレートとから構成される磁石機構により発生するカスプ磁場を示す概念図である。   Next, the magnet mechanism disposed on the top plate 11 will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 4 is a partial cross-sectional view of the top plate showing the magnetic field of the magnet of the plasma processing apparatus. FIG. 5 is a plan view of a ¼ region of the top plate showing the magnet arrangement (I). FIG. 6 is a plan view of a quarter region of the top plate showing the magnet arrangement (II). FIG. 7 is a conceptual diagram showing a cusp magnetic field generated by a magnet mechanism composed of the magnet and the top plate shown in FIG.

図4から図7に示すように、複数のマグネット21がトッププレート21の上に配置され、さらにトッププレート11の外側表面に固定されている。マグネット21は対称的な位置関係で配置されるので、図5及び図6では、トッププレート11の1/4の領域だけが平面図の状態で示される。   As shown in FIGS. 4 to 7, a plurality of magnets 21 are disposed on the top plate 21 and further fixed to the outer surface of the top plate 11. Since the magnets 21 are arranged in a symmetrical positional relationship, only a quarter region of the top plate 11 is shown in a plan view in FIGS.

マグネット21は、トッププレート11の内側にカスプ磁場23を生成するように、トッププレート11の外側表面の上に配置される。この場合、厳密に述べると、カスプ磁場23は、4つのマグネット21で決められるポイント・カスプ(point−cusp)磁界と呼ばれる。ここで、本明細書において、「ポイント・カスプ磁場」とは、図7に示すように隣接する4つのマグネット6により閉じたカスプ磁場を形成することをいう。   The magnet 21 is disposed on the outer surface of the top plate 11 so as to generate a cusp magnetic field 23 inside the top plate 11. In this case, strictly speaking, the cusp magnetic field 23 is called a point-cusp magnetic field determined by the four magnets 21. Here, in this specification, the “point cusp magnetic field” means that a closed cusp magnetic field is formed by four adjacent magnets 6 as shown in FIG.

ポイント・カスプ磁場を形成するためのただ1つの要求は、各々隣り合うマグネットがトッププレート11に向かう極で反対の極性を持たなければならないということである。このことは反応容器10の内側に向かうマグネットの極性が交互に変化するということを意味する。例えば、図5に示すように、トッププレート11の上で点線によって描かれた四角形22の各々の角部分(コーナー)に配置される。図5及び図6においてNとSはマグネット21の磁気的極性を意味する。いかなる2つの隣り合うマグネットの間隔(距離)は重要なことではなく、マグネットの強さとトッププレート11の直径に依存して2cmから10cmの範囲で変えることができる。   The only requirement for creating a point cusp field is that each adjacent magnet must have the opposite polarity at the pole toward the top plate 11. This means that the polarity of the magnet going to the inside of the reaction vessel 10 changes alternately. For example, as shown in FIG. 5, each corner portion (corner) of a quadrangle 22 drawn by a dotted line on the top plate 11 is arranged. 5 and 6, N and S mean the magnetic polarity of the magnet 21. The spacing (distance) between any two adjacent magnets is not critical and can vary from 2 cm to 10 cm depending on the strength of the magnet and the diameter of the top plate 11.

図4に示すように、マグネット21の配列は、トッププレート11の下側で、ポイント・カスプ磁場23を、2つの隣り合う当該磁場23の間に作られるカスプ23aと共に、作る。符号23bは磁束線を示している。磁極から出た磁束線23bは直接に最も近い反対の磁極に向かって曲がる。こうして、ポイント・カスプ磁場23が形成される。トッププレート11の内側表面の近くの空間において生成されたポイント・カスプ磁場23は、ループを作るように閉じられた磁束線23bを形成する。トッププレート11の内側表面の近傍において、多くの磁束ループが形成され、その結果として磁界のカスプ23aが形成される。トッププレート11上のマグネット21によって形成された配列構造に依存してトッププレート11の下側のプラズマの均一性が変化する。   As shown in FIG. 4, the arrangement of the magnets 21 creates a point cusp magnetic field 23 together with a cusp 23 a created between two adjacent magnetic fields 23 on the lower side of the top plate 11. Reference numeral 23b indicates magnetic flux lines. The magnetic flux lines 23b emerging from the magnetic pole bend toward the nearest opposite magnetic pole. Thus, the point cusp magnetic field 23 is formed. The point cusp magnetic field 23 generated in the space near the inner surface of the top plate 11 forms a magnetic flux line 23b that is closed to form a loop. Many magnetic flux loops are formed in the vicinity of the inner surface of the top plate 11, and as a result, a magnetic field cusp 23a is formed. Depending on the arrangement structure formed by the magnets 21 on the top plate 11, the uniformity of the plasma below the top plate 11 changes.

マグネット21の形状は、好ましくは、断面の形状がそれぞれ四角と円である立方体または円柱体である。マグネット21の各々はトッププレート11の外側表面上に形成された穴11aの中に配置される。例えば、トッププレート11の厚みはおよそ20mmであり、穴11aの深さはおよそ17mmである。したがって、マグネット21の底の面は反応容器10の内部空間に接近している。   The shape of the magnet 21 is preferably a cube or a cylinder whose cross-sectional shape is a square and a circle, respectively. Each of the magnets 21 is disposed in a hole 11 a formed on the outer surface of the top plate 11. For example, the thickness of the top plate 11 is approximately 20 mm, and the depth of the hole 11a is approximately 17 mm. Therefore, the bottom surface of the magnet 21 is close to the internal space of the reaction vessel 10.

マグネット21の断面形状は円形または四角形である。もしマグネット21の断面形状が円形であるならば、その直径は10mmから40mmの範囲の中に含まれる。直径の値は重要ではない。もしマグネット21の断面形状が四角であるならば、円形断面形状を有するマグネットのそれらに相当する寸法が選択される。マグネット21の高さは同様にまた重要ではなく、3mmから10mmの範囲内にある。マグネット21の磁気的強さはトッププレート11の下側におよそ50ガウス(Gauss)から500ガウスの磁界の強さを持つように選択される。   The cross-sectional shape of the magnet 21 is circular or quadrangular. If the cross-sectional shape of the magnet 21 is circular, the diameter is included in the range of 10 mm to 40 mm. The diameter value is not important. If the cross-sectional shape of the magnet 21 is a square, dimensions corresponding to those of a magnet having a circular cross-sectional shape are selected. The height of the magnet 21 is likewise not critical and is in the range of 3 mm to 10 mm. The magnetic strength of the magnet 21 is selected to have a magnetic field strength of approximately 50 Gauss to 500 Gauss below the top plate 11.

加えて図4に示すように、円形ガス通路24がトッププレート11の内部に形成される。円形ガス通路24はガス導入系25を通してガス供給源(図示されず)に結合されており、トッププレート11の内側表面に複数のガス導入孔26を有している。ガス供給源によって供給される処理ガス(プロセスガス)は円形ガス通路24とガス導入孔26を通して反応容器10の内部空間に導入される。処理ガスは第1に円形ガス通路24に供給され、それからいくつかのガス導入孔26を通して反応容器10の処理室に導入される。   In addition, as shown in FIG. 4, a circular gas passage 24 is formed inside the top plate 11. The circular gas passage 24 is coupled to a gas supply source (not shown) through a gas introduction system 25 and has a plurality of gas introduction holes 26 on the inner surface of the top plate 11. A processing gas (process gas) supplied by the gas supply source is introduced into the internal space of the reaction vessel 10 through the circular gas passage 24 and the gas introduction hole 26. The processing gas is first supplied to the circular gas passage 24 and then introduced into the processing chamber of the reaction vessel 10 through several gas introduction holes 26.

反応容器10の内部圧力は、ガスの流速を調整すること、およびガス排気ポート18に配置された良く知られた可変オリフィス(図示されず)を調整することによって制御される。反応容器10の内部圧力(処理室の圧力)は、例えば、0.2Paから27Paの範囲で変化される。本実施形態では、後述する本発明に係る薄膜の成膜方法において、第2工程の処理室の圧力が第1工程の処理室の圧力よりも低く設定される。なお、処理室の具体的な設定圧力については、本発明に係る薄膜の成膜方法の説明において詳述する。   The internal pressure of the reaction vessel 10 is controlled by adjusting the gas flow rate and adjusting a well-known variable orifice (not shown) located at the gas exhaust port 18. The internal pressure (pressure in the processing chamber) of the reaction vessel 10 is changed in the range of 0.2 Pa to 27 Pa, for example. In the present embodiment, in the thin film deposition method according to the present invention, which will be described later, the pressure in the processing chamber in the second step is set lower than the pressure in the processing chamber in the first step. The specific set pressure in the processing chamber will be described in detail in the description of the thin film formation method according to the present invention.

本実施形態では、カソード電極11に給電する高周波電源19の周波数は、およそ10MHzから300MHzの範囲にある。一方、アノード電極15に給電する高周波電源8の周波数は、およそ1MHzから15MHzの範囲にある。   In the present embodiment, the frequency of the high frequency power supply 19 that supplies power to the cathode electrode 11 is in the range of approximately 10 MHz to 300 MHz. On the other hand, the frequency of the high-frequency power supply 8 that supplies power to the anode electrode 15 is in the range of approximately 1 MHz to 15 MHz.

さらに、本実施形態では、後述する本発明に係る薄膜の成膜方法において、第2工程のカソード電力に対するアノード電力の比が、第1工程のカソード電力に対するアノード電力の比よりも大きくなるように設定される。なお、具体的な電力比の設定については、本発明に係る薄膜の成膜方法において詳述する。なお、アノード電極15は接地した状態で使用しても構わない。   Furthermore, in this embodiment, in the thin film formation method according to the present invention described later, the ratio of the anode power to the cathode power in the second step is larger than the ratio of the anode power to the cathode power in the first step. Is set. The specific setting of the power ratio will be described in detail in the thin film forming method according to the present invention. The anode electrode 15 may be used in a grounded state.

次に、前述のプラズマ源を備えた反応容器10におけるプラズマ発生の機構を説明する。図4において、高周波電流19aが高周波電源19からカソード電極11に給電されるとき、高周波電力の静電的結合の機構によってプラズマが生成される。その時、プラズマにおける電子はカソード電極11上に配置されるマグネット21によって作られたポイント・カスプ磁場23の存在に基づきサイクロトロン回転を受ける。このことは電子の通過路の長さを増大させ、それによってプロセスガスのより高いイオン化割合をもたらす。加えて、電子とイオンのカソード電極11の衝突がポイント・カスプ磁場23によって部分的に抑圧される。それ故に、磁場23の存在はプラズマ密度の増大という結果をもたらす。   Next, the mechanism of plasma generation in the reaction vessel 10 equipped with the above-described plasma source will be described. In FIG. 4, when a high-frequency current 19a is fed from the high-frequency power source 19 to the cathode electrode 11, plasma is generated by a mechanism of electrostatic coupling of the high-frequency power. At that time, electrons in the plasma are subjected to cyclotron rotation based on the presence of a point cusp magnetic field 23 created by a magnet 21 disposed on the cathode electrode 11. This increases the length of the electron path, thereby resulting in a higher ionization rate of the process gas. In addition, the collision of electrons and ions with the cathode electrode 11 is partially suppressed by the point cusp magnetic field 23. Therefore, the presence of the magnetic field 23 results in an increase in plasma density.

一般的に磁界が存在しない場合、2つの平行プレートの間に静電的結合の機構によって生成されたプラズマは、より高い半径方向の均一性を持つ。磁界が存在する場合においては、このプラズマ均一性は変化する。カソード電極11上に配置されたマグネット21はカソード電極11の下側にポイント・カスプ磁場23を形成する。カソード電極11に平行に存在する磁場23の強さが最大である場所においてプラズマ密度は最大である。同様にトッププレートに平行に存在する磁場23の強さが最小であるところの場所ではプラズマ密度は低い。それ故に、カソード電極11の近傍においてプラズマ密度は最大と最小となる。しかしながら、プラズマ密度のこれらの最大と最小は互いに接近しているので、下流側におけるカソード電極11からより短い距離において拡散がプラズマの均一性を作る。さらに、マグネット21は交互に反対の極性となるように配置されているので、ポイント・カスプ磁場23の磁束線23bはカソード電極11の内側表面から近い距離で曲がる。それ故に、カソード電極11からより近い距離において磁界がない環境が得られる。   In general, in the absence of a magnetic field, the plasma generated by the mechanism of electrostatic coupling between two parallel plates has a higher radial uniformity. In the presence of a magnetic field, this plasma uniformity changes. The magnet 21 disposed on the cathode electrode 11 forms a point cusp magnetic field 23 below the cathode electrode 11. The plasma density is maximum at the place where the strength of the magnetic field 23 existing parallel to the cathode electrode 11 is maximum. Similarly, the plasma density is low at a place where the strength of the magnetic field 23 existing parallel to the top plate is minimum. Therefore, the plasma density becomes maximum and minimum in the vicinity of the cathode electrode 11. However, since these maximum and minimum of plasma density are close to each other, diffusion creates plasma uniformity at a shorter distance from the cathode electrode 11 on the downstream side. Further, since the magnets 21 are alternately arranged to have opposite polarities, the magnetic flux lines 23b of the point cusp magnetic field 23 bend at a close distance from the inner surface of the cathode electrode 11. Therefore, an environment in which there is no magnetic field at a closer distance from the cathode electrode 11 is obtained.

均一なプラズマ密度を得る目的で、前述された構成とは異なる他のマグネット21の配列を見出だすこともできる。例えば、カソード電極11の中心部付近の2つの隣り合うマグネットの間の間隔を周辺部付近の隣り合う2つのマグネットの間隔よりも大きくすることができるし、あるいは、中央部におけるマグネットを取り除くこともできる。ここで、マグネット21はカソード電極11の周縁部分に接近した所のみに帯状に(バンドとして)配置されている。半径r1はカソード電極(トッププレート)11の半径であり、半径r2はマグネットが配置されていない円形領域の半径である。これらの配列によって、トッププレート11の中心部付近のマグネット21の個数は周縁部に近い部分の個数よりも少なくなる。すなわち、トッププレート11の中心部およびその周縁の磁束密度は、その周縁部に近い部分の磁束密度よりも低くなる。   For the purpose of obtaining a uniform plasma density, it is possible to find another arrangement of the magnets 21 different from the above-described configuration. For example, the interval between two adjacent magnets near the center of the cathode electrode 11 can be made larger than the interval between two adjacent magnets near the periphery, or the magnet at the center can be removed. it can. Here, the magnet 21 is arranged in a band shape (as a band) only at a position close to the peripheral portion of the cathode electrode 11. A radius r1 is a radius of the cathode electrode (top plate) 11, and a radius r2 is a radius of a circular region where no magnet is arranged. With these arrangements, the number of magnets 21 near the center portion of the top plate 11 is smaller than the number of portions near the peripheral portion. That is, the magnetic flux density at the center portion of the top plate 11 and the peripheral edge thereof is lower than the magnetic flux density at the portion close to the peripheral edge portion.

次に、再び図1から図3及び図8を参照して、上記のプラズマ処理装置の作用と共に、本発明に係る薄膜の成膜方法について説明する。図8は、本発明に係る薄膜の成膜方法における成膜状況を示す概略説明図である。なお、カソード電極11に支持するターゲットとしてチタニウム(Ti)又は銅(Cu)を用い、反応容器10内に処理ガスとして、Ar(アルゴン)とNe(ネオン)との混合ガスを導入した。   Next, with reference to FIGS. 1 to 3 and 8 again, the operation of the plasma processing apparatus and the thin film deposition method according to the present invention will be described. FIG. 8 is a schematic explanatory view showing a film forming state in the thin film forming method according to the present invention. In addition, titanium (Ti) or copper (Cu) was used as a target supported by the cathode electrode 11, and a mixed gas of Ar (argon) and Ne (neon) was introduced into the reaction vessel 10 as a processing gas.

本発明に係る薄膜の成膜方法の特徴点は、処理ガスとして、Ar(アルゴン)とNe(ネオン)との混合ガスを用いた点である。まず、処理ガスとして、Ar(アルゴン)とNe(ネオン)との混合ガスを用いた理由を説明する。 A feature of the thin film forming method according to the present invention is that a mixed gas of Ar (argon) and Ne (neon) is used as a processing gas. First, the reason why a mixed gas of Ar (argon) and Ne (neon) is used as the processing gas will be described.

図10は、チタン(Ti)の成膜速度のNe添加率依存性を示す図である。カソード電極11に支持するターゲットとしてチタン(Ti)を用い、開口幅又は開口径が3μm以下で、かつ、アスペクト比が1以上の段差であるトレンチやビアホールを有する基板上に、処理ガスがArのみの場合とNeを添加した場合の薄膜の成膜速度を比較した。この図から、Neガスの添加が増えると薄膜の成膜速度が増えていることがわかる。この時、いずれも処理室の圧力は14Pa、カソード電極に印加した電力は3200Wである。なお、軽い希ガスのヘリウムを添加すると、軽すぎる為にスパッタ率が小さくなり、成膜速度は遅くなる。またクリプトンやキセノンのように重い希ガスを添加した場合は、金属粒子と衝突した時の散乱が大きくなり、成膜速度が遅くなる。 FIG. 10 is a graph showing the Ne addition rate dependence of the deposition rate of titanium (Ti). Titanium (Ti) is used as a target to be supported by the cathode electrode 11, and the processing gas is only Ar on a substrate having a trench or via hole having an opening width or opening diameter of 3 μm or less and an aspect ratio of 1 or more. The film formation rate was compared between the above and the case where Ne was added. From this figure, it can be seen that the deposition rate of the thin film increases as the addition of Ne gas increases. At this time, the pressure in the processing chamber is 14 Pa, and the power applied to the cathode electrode is 3200 W. Note that when a light noble gas, helium, is added, the sputtering rate is reduced because it is too light, and the deposition rate is reduced. In addition, when a heavy rare gas such as krypton or xenon is added, scattering when colliding with metal particles increases, and the film formation rate decreases.

図11は、銅(Cu)の成膜速度のカソード電極の電力依存性を示す図である。カソード電極11に支持するターゲットとして銅(Cu)を用い、開口幅又は開口径が3μm以下で、かつ、アスペクト比が1以上の段差であるトレンチやビアホールを有する基板上に、処理ガスがArのみの場合とNeを添加した場合の薄膜の成膜速度を比較した。この図から、Neガスを用いると薄膜の成膜速度が増えることがわかる。この時、いずれも処理室の圧力は8Pa、カソード電極に印加した電力は4000Wである。なお、本発明の成膜方法では、カソード電圧にかかる電圧は200V以下であり、すなわちイオンエネルギーも200eV以下になる。200eV以下の範囲では希ガスの種類によるスパッタ率の差は見られないので、この範囲ではスパッタ率と成膜速度は無関係である。 FIG. 11 is a diagram showing the power dependency of the cathode electrode on the deposition rate of copper (Cu). Copper (Cu) is used as a target to be supported by the cathode electrode 11, and the processing gas is only Ar on a substrate having a trench or via hole having an opening width or opening diameter of 3 μm or less and an aspect ratio of 1 or more. The film formation rate was compared between the above and the case where Ne was added. From this figure, it can be seen that the use of Ne gas increases the deposition rate of the thin film. At this time, the pressure in the processing chamber is 8 Pa, and the power applied to the cathode electrode is 4000 W. In the film forming method of the present invention, the voltage applied to the cathode voltage is 200 V or less, that is, the ion energy is 200 eV or less. In the range of 200 eV or less, there is no difference in the sputtering rate depending on the type of rare gas, and in this range, the sputtering rate and the deposition rate are irrelevant.

図12は、チタン(Ti)の成膜速度のN添加率依存性を示す図である。カソード電極11に支持するターゲットとしてチタン(Ti)を用い、開口幅又は開口径が3μm以下で、かつ、アスペクト比が1以上の段差であるトレンチやビアホールを有する基板上に、処理ガスがArとNの場合とNeとNの場合の薄膜の成膜速度を比較した。この図から、Neガスを用いると薄膜の成膜速度が増えることがわかる。この時、いずれも処理室の圧力は7Pa、カソード電極に印加した電力は5000Wである。尚、本発明の成膜方法では、カソード電圧にかかる電圧は200V以下であり、すなわちイオンエネルギーも200eV以下になる。200eV以下の範囲では希ガスの種類によるスパッタ率の差は見られないので、この範囲ではスパッタ率と成膜速度は無関係である。 FIG. 12 is a diagram showing the N 2 addition rate dependency of the deposition rate of titanium (Ti). Titanium (Ti) is used as a target to be supported by the cathode electrode 11, and the processing gas is Ar and a substrate having trenches or via holes having an opening width or opening diameter of 3 μm or less and an aspect ratio of 1 or more. comparing the deposition rate of the thin film in the case where the Ne and N 2 of N 2. From this figure, it can be seen that the use of Ne gas increases the deposition rate of the thin film. At this time, the pressure in the processing chamber is 7 Pa, and the power applied to the cathode electrode is 5000 W. In the film forming method of the present invention, the voltage applied to the cathode voltage is 200 V or less, that is, the ion energy is 200 eV or less. In the range of 200 eV or less, there is no difference in the sputtering rate depending on the type of rare gas, and in this range, the sputtering rate and the deposition rate are irrelevant.

図13は、銅(Cu)のボトムカバレッジ率のアノード電力依存性を示す図である。カソード電極11に支持するターゲットとして銅(Cu)を用い、開口幅又は開口径が3μm以下で、かつ、アスペクト比が1以上の段差であるトレンチやビアホールを有する基板上に、処理ガスがArのみの場合とNeを添加した場合のトレンチやビアホールのボトムカバレッジ率を比較した。この図から、Neガスを用いるとトレンチやビアホールのボトムカバレッジ率が増えることがわかる。この時、いずれも処理室の圧力は8Pa、カソード電極に印加した電力は4000Wである。尚、本発明の成膜方法では、カソード電圧にかかる電圧は200V以下であり、すなわちイオンエネルギーも200eV以下になる。200eV以下の範囲では希ガスの種類によるスパッタ率の差は見られないので、この範囲ではスパッタ率と成膜速度は無関係である。   FIG. 13 is a diagram showing the anode power dependence of the bottom coverage ratio of copper (Cu). Copper (Cu) is used as a target to be supported by the cathode electrode 11, and the processing gas is only Ar on a substrate having a trench or via hole having an opening width or opening diameter of 3 μm or less and an aspect ratio of 1 or more. The bottom coverage rate of trenches and via holes when Ne was added was compared. From this figure, it can be seen that the use of Ne gas increases the bottom coverage rate of trenches and via holes. At this time, the pressure in the processing chamber is 8 Pa, and the power applied to the cathode electrode is 4000 W. In the film forming method of the present invention, the voltage applied to the cathode voltage is 200 V or less, that is, the ion energy is 200 eV or less. In the range of 200 eV or less, there is no difference in the sputtering rate depending on the type of rare gas, and in this range, the sputtering rate and the deposition rate are irrelevant.

図14は、チタン(Ti)のボトムカバレッジ率のアスペクト比依存性を示す図である。カソード電極11に支持するターゲットとしてチタン(Ti)を用い、開口幅又は開口径が3μm以下で、かつ、アスペクト比が1以上の段差であるトレンチやビアホールを有する基板上に、処理ガスがArのみの場合とNeを添加した場合のトレンチやビアホールのボトムカバレッジ率を比較した。この図から、Neガスを用いるとトレンチやビアホールのボトムカバレッジ率が増えることがわかる。この時、いずれも処理室の圧力は14Pa、カソード電極に印加した電力は3200Wである。 FIG. 14 is a diagram illustrating the aspect ratio dependency of the bottom coverage ratio of titanium (Ti). Titanium (Ti) is used as a target to be supported by the cathode electrode 11, and the processing gas is only Ar on a substrate having a trench or via hole having an opening width or opening diameter of 3 μm or less and an aspect ratio of 1 or more. The bottom coverage rate of trenches and via holes when Ne was added was compared. From this figure, it can be seen that the use of Ne gas increases the bottom coverage rate of trenches and via holes. At this time, the pressure in the processing chamber is 14 Pa, and the power applied to the cathode electrode is 3200 W.

上記の通り、図10から図14により、カソード電極11に支持するターゲットとしてチタニウム(Ti)又は銅(Cu)を用い、反応容器10内に処理ガスとして、Ar(アルゴン)とNe(ネオン)との混合ガスを導入した場合、同じ電力を印加してもトレンチやビアホール底面への薄膜の成膜速度が増加することを見いだした。 As described above, according to FIGS. 10 to 14, titanium (Ti) or copper (Cu) is used as a target supported by the cathode electrode 11, and Ar (argon) and Ne (neon) are used as processing gases in the reaction vessel 10. It was found that when the same gas was introduced, the deposition rate of the thin film on the bottom of the trench and via hole increased even when the same power was applied.

処理ガスとして、Ar(アルゴン)とNe(ネオン)との混合ガスを導入した理由を更に、説明する。Neは、Arよりも重量が軽い為に、ターゲットからスパッタされた金属粒子がNeと衝突してよりイオン化されたためと考えられる。特に本発明においては、第2の電極であるカソード電極の内側にポイントカスプ磁界を形成する複数のマグネットが配置されている。このため、もともと高密度プラズマが発生する機構を有しているが、処理ガスとして、Ar(アルゴン)とNe(ネオン)との混合ガスを処理室内に導入することにより、NeはArより重量が軽い為に、ターゲットからスパッタされた金属粒子がNeと衝突してよりイオン化されたためと考えられる。 The reason why a mixed gas of Ar (argon) and Ne (neon) is introduced as the processing gas will be further described. It is considered that Ne is lighter than Ar, so that metal particles sputtered from the target collide with Ne and are more ionized. In particular, in the present invention, a plurality of magnets that form a point cusp magnetic field are arranged inside the cathode electrode that is the second electrode. For this reason, although it originally has a mechanism for generating high-density plasma, Ne is heavier than Ar by introducing a mixed gas of Ar (argon) and Ne (neon) into the processing chamber as a processing gas. It is considered that the metal particles sputtered from the target collide with Ne and are more ionized because of being light.

次に、本発明の薄膜の成膜方法について説明する。本発明に係る薄膜の成膜方法は、まず、反応容器10内を排気系により所定の真空度まで排気する。基板ホルダ15に内蔵された不図示のヒータに電力供給し、基板ホルダ15を設定温度に加熱する。   Next, the thin film forming method of the present invention will be described. In the thin film forming method according to the present invention, first, the inside of the reaction vessel 10 is evacuated to a predetermined degree of vacuum by an exhaust system. Electric power is supplied to a heater (not shown) built in the substrate holder 15 to heat the substrate holder 15 to a set temperature.

次に、反応容器10の側壁に配設された不図示のゲートバルブを開け、基板搬送経路を開放する。この状態で、ロボットアーム等の不図示の搬送アームを用いて、基板17を基板ホルダ15の上面へと搬送する。そして、不図示の保持機構により基板ホルダ15に基板8を保持する。上記搬送アームを後退させた後、ゲートバルブを閉じる。   Next, a gate valve (not shown) disposed on the side wall of the reaction vessel 10 is opened to open the substrate transfer path. In this state, the substrate 17 is transferred to the upper surface of the substrate holder 15 using a transfer arm (not shown) such as a robot arm. Then, the substrate 8 is held on the substrate holder 15 by a holding mechanism (not shown). After the transfer arm is retracted, the gate valve is closed.

基板17の表面温度が所定の温度(例えば、900℃)に到達するまで加熱時間をおいた後、ガス導入系25より所定の流量の処理ガスを導入する。また、不図示の排気系のコンダクタンスバルブ等により反応容器1の内部を任意の圧力に調整する。   After a heating time is allowed until the surface temperature of the substrate 17 reaches a predetermined temperature (for example, 900 ° C.), a processing gas having a predetermined flow rate is introduced from the gas introduction system 25. Further, the inside of the reaction vessel 1 is adjusted to an arbitrary pressure by an exhaust system conductance valve (not shown).

この処理ガスの導入下において、上記第2の電極11、第1の電極15に高周波電源19、高周波電源8から異なる電力を印可すると共に、カソード電極11(第2の電極11)にカスプ磁場を生成してプラズマを発生させる。このプラズマを発生により、開口幅又は開口径3μm以下で、かつ、アスペクト比が1以上の段差であるトレンチ31又はビアホール32を有する基板17の上にターゲット物質の薄膜を成膜する。   Under the introduction of the processing gas, different electric power is applied to the second electrode 11 and the first electrode 15 from the high-frequency power source 19 and the high-frequency power source 8, and a cusp magnetic field is applied to the cathode electrode 11 (second electrode 11). Generate plasma to generate. By generating this plasma, a thin film of the target material is formed on the substrate 17 having the trench 31 or the via hole 32 having an opening width or an opening diameter of 3 μm or less and a step having an aspect ratio of 1 or more.

このように、本発明に係る薄膜の成膜方法は、開口幅又は開口径が3μm以下で、かつ、アスペクト比が1以上の段差であるトレンチ31やビアホール32を有する基板17上に薄膜を成膜するに際して適用する。   As described above, in the thin film forming method according to the present invention, the thin film is formed on the substrate 17 having the trench 31 or the via hole 32 having a step having an opening width or an opening diameter of 3 μm or less and an aspect ratio of 1 or more. Applies when filming.

上記の電力比の条件下において、カソード電極11(第2の電極11)に給電する高周波電源19の電力は300Wから10000Wの範囲で選択して設定し、アノード電極15(第1の電極15)に給電する高周波電源8の電力は0Wから2000Wの範囲で選択して設定する。具体的には、基板17の径(サイズ)が12インチの場合、カソード電力は300Wから10000Wの範囲で設定し、アノード電力は0Wから2000Wで設定することが望ましい。   Under the condition of the above power ratio, the power of the high frequency power supply 19 that supplies power to the cathode electrode 11 (second electrode 11) is selected and set in the range of 300 W to 10000 W, and the anode electrode 15 (first electrode 15). The power of the high frequency power supply 8 that supplies power is selected and set in the range of 0 W to 2000 W. Specifically, when the diameter (size) of the substrate 17 is 12 inches, it is desirable to set the cathode power in the range of 300 W to 10000 W and the anode power in the range of 0 W to 2000 W.

なお、アノード電力の下限(0W)から分かるように、アノード電極15(第1の電極)は接地した状態で使用しても構わない。   As can be seen from the lower limit (0 W) of the anode power, the anode electrode 15 (first electrode) may be used in a grounded state.

所定の膜厚を堆積後、高周波電源8、高周波電源19からの電力供給を停止する。さらに、ガス導入系25からの処理ガスの導入を停止し、排気系のコンダクタンスバルブ等を開放して反応容器10の内部を排気する。   After depositing a predetermined film thickness, power supply from the high frequency power source 8 and the high frequency power source 19 is stopped. Further, the introduction of the processing gas from the gas introduction system 25 is stopped, the conductance valve of the exhaust system is opened, and the inside of the reaction vessel 10 is exhausted.

次に、ゲートバルブを開けて基板搬送経路を開放し、搬送アームを挿入して基板17を保持し、搬送アームを後退させて反応容器10から基板17を搬出する。最後に、ゲートバルブを閉じて、全工程を終了する。なお、そのまま、リフロー工程等の次工程に移行してもよい。   Next, the gate valve is opened to open the substrate transfer path, the transfer arm is inserted to hold the substrate 17, the transfer arm is retracted, and the substrate 17 is unloaded from the reaction vessel 10. Finally, the gate valve is closed to complete the entire process. In addition, you may transfer to next processes, such as a reflow process, as it is.

このように本発明に係る薄膜の成膜方法では、ターゲットから飛来するターゲット粒子で基板17上に成膜をしつつ、基板17を載置したアノード電極15にバイアスを印加する。これにより、アノード電極15とカソード電極11との間で発生したプアズマ中の希ガス(アルゴンとネオンの混合ガス)イオンをアノード電極15に引き込み、基板17をターゲットとして再スパッタ(エッチング)する。したがって、ECRプラズマCVDで発生する程の膜質の変化はない。   As described above, in the method for forming a thin film according to the present invention, a bias is applied to the anode electrode 15 on which the substrate 17 is placed while the target particles flying from the target are formed on the substrate 17. Thereby, ions of rare gas (mixed gas of argon and neon) in the plasma generated between the anode electrode 15 and the cathode electrode 11 are drawn into the anode electrode 15 and resputtered (etched) using the substrate 17 as a target. Therefore, there is no change in film quality that occurs in ECR plasma CVD.

本実施形態では、アルゴンとネオンの混合ガスを用いているため、膜質を維持することが可能である。さらに、カソード電極11の高周波電源19の周波数を10MHz〜300MHzの範囲としている。そのため、第1工程では高イオン化率下で成膜しうるので、トレンチ31又はビアホール32(段差)の底部33に多くの膜を付け、かつ内側壁34には殆ど膜が付かない。   In this embodiment, since a mixed gas of argon and neon is used, the film quality can be maintained. Furthermore, the frequency of the high-frequency power source 19 of the cathode electrode 11 is in the range of 10 MHz to 300 MHz. Therefore, since the film can be formed at a high ionization rate in the first step, a large amount of film is attached to the bottom 33 of the trench 31 or the via hole 32 (step), and the inner wall 34 is hardly attached.

以上説明したように、本発明によれば、開口幅または開口径が3μm以下で、アスペクト比1以上、特に1.5以上の高アスペクト比のトレンチ31又はビアホール32の底部33と内側壁34の双方に、十分な膜厚でバリヤー膜を成膜できる。その結果、次工程のAlリフローを実施したときに、トレンチ31又はビアホール32内にボイドを生じることなく、極めて平坦なAl膜を成膜できる。したがって、CMP(Chmical Mechanical Polishing)処理のような平坦化処理を省略することができる。   As described above, according to the present invention, the bottom width 33 and the inner wall 34 of the trench 31 or the via hole 32 having a high aspect ratio with an opening width or opening diameter of 3 μm or less and an aspect ratio of 1 or more, particularly 1.5 or more. A barrier film can be formed on both sides with a sufficient film thickness. As a result, when the next step of Al reflow is performed, an extremely flat Al film can be formed without generating a void in the trench 31 or the via hole 32. Therefore, a planarization process such as a CMP (Chemical Mechanical Polishing) process can be omitted.

本発明は、例示したマグネトロンスパッタリング装置のみならず、ドライエッチング装置、プラズマアッシャ装置、CVD装置および液晶ディスプレイ製造装置等のプラズマ処理装置に応用して適用可能である。   The present invention can be applied not only to the magnetron sputtering apparatus illustrated but also to plasma processing apparatuses such as a dry etching apparatus, a plasma asher apparatus, a CVD apparatus, and a liquid crystal display manufacturing apparatus.

8、19 高周波電源
10 反応容器
11 第2の電極(トッププレート)
15 第1の電極(基本ホルダー)
17 基板
31 トレンチ
32 ビアホール
33 底部
34 内側壁
8, 19 High frequency power supply 10 Reaction vessel 11 Second electrode (top plate)
15 First electrode (basic holder)
17 Substrate 31 Trench 32 Via hole 33 Bottom 34 Inner side wall

Claims (8)

開口幅又は開口径が3μm以下で、かつ、アスペクト比が1以上の段差であるトレンチ又はビアホールを有する基板上に薄膜を成膜する成膜方法であって、
真空排気可能な処理室に、基板を支持する第1の電極と、前記基板に対向するように配置されターゲットを支持する第2の電極と、前記第2の電極の外側に配置されて当該第2の電極の内側にカスプ磁界を形成する複数のマグネットと、を備え、
前記処理室にNeを含む処理ガスを導入し、前記第1の電極と前記第2の電極の少なくとも一方にプラズマ形成用の高周波電力を供給すると共に、前記第2の電極上にカスプ磁場を生成してプラズマを発生させ、ターゲット物質をトレンチ又はビアホールを有する基板上に成膜することを特徴とする薄膜の成膜方法。
A film forming method for forming a thin film on a substrate having a trench or via hole having an opening width or an opening diameter of 3 μm or less and an aspect ratio of 1 or more,
In a processing chamber capable of being evacuated, a first electrode that supports a substrate, a second electrode that is disposed so as to face the substrate and supports a target, and is disposed outside the second electrode. A plurality of magnets for forming a cusp magnetic field inside the two electrodes,
A processing gas containing Ne is introduced into the processing chamber, high frequency power for plasma formation is supplied to at least one of the first electrode and the second electrode, and a cusp magnetic field is generated on the second electrode. Then, plasma is generated and a target material is formed on a substrate having a trench or a via hole.
前記処理室の圧力は2Paから27Paの範囲で選択して設定することを特徴とする請求項1に記載の薄膜の成膜方法。   2. The method of forming a thin film according to claim 1, wherein the pressure in the processing chamber is selected and set in a range of 2 Pa to 27 Pa. 前記第2電極の高周波電源の周波数は10MHzから300MHzの範囲にあることを特徴とする請求項1又は2に記載の薄膜の成膜方法。   The method of forming a thin film according to claim 1 or 2, wherein the frequency of the high-frequency power source of the second electrode is in the range of 10 MHz to 300 MHz. 前記第2の電極の高周波電源の電力を300Wから10000Wの範囲で選択して設定し、前記第1電極の高周波電源の電力を0Wから2000Wの範囲で選択して設定することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の薄膜の成膜方法。   The power of the high frequency power source of the second electrode is selected and set in a range of 300 W to 10000 W, and the power of the high frequency power source of the first electrode is selected and set in a range of 0 W to 2000 W. Item 4. The method for forming a thin film according to any one of Items 1 to 3. 前記第2電極は、導電性を有する単一組成または複合組成の材料で構成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の薄膜の成膜方法。   5. The thin film forming method according to claim 1, wherein the second electrode is made of a material having a single composition or a composite composition having conductivity. 前記処理ガスは、Neを含む希ガスと反応性ガスとの混合ガスであり、反応性ガスは酸素及び窒素からなるガス群より選択された少なくとも1種であることを特徴とする請求項5に記載の薄膜の成膜方法。   6. The process gas according to claim 5, wherein the processing gas is a mixed gas of a rare gas containing Ne and a reactive gas, and the reactive gas is at least one selected from a gas group consisting of oxygen and nitrogen. The thin film formation method described. 前記マグネットが、碁盤目状に複数連なる四角形の各角部に対応する位置に配置されており、しかも前記各四角形の辺方向に隣接するマグネットの極性が反対の極性となっていることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の薄膜の成膜方法。 The magnet is arranged at a position corresponding to each corner of a quadrangular quadrilateral in a grid pattern, and the magnets adjacent to each side of the quadrilateral have opposite polarities. The thin film forming method according to any one of claims 1 to 6. 前記第1の電極がアノード電極であり、前記第2の電極がカソード電極であることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の薄膜の形成方法。

The method for forming a thin film according to any one of claims 1 to 7, wherein the first electrode is an anode electrode, and the second electrode is a cathode electrode.

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