JP2002167665A

JP2002167665A - 成膜装置及び方法

Info

Publication number: JP2002167665A
Application number: JP2000364416A
Authority: JP
Inventors: Arata Masui; 新増井
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-11-30
Filing date: 2000-11-30
Publication date: 2002-06-11

Abstract

(57)【要約】【課題】成膜速度が大きく、付き回り性にも優れた成
膜装置及び方法を提供すること。【解決手段】オリフィス４０ａから出射したイオンビ
ームＩＢは、発散しつつ基板Ｗの表面に入射する。この
際、イオンビームＩＢは、所定エネルギー状態に制御さ
れており、基板Ｗの表面に付着したプリカーサガスＰＧ
の分子を分解して、基板Ｗ上に配線金属等からなる薄膜
を堆積する。プリカーサガスＰＧが基板Ｗ表面の凹部に
回り込むので、凹部の側面にも比較的付き回り性良く薄
膜を付着させることができる。この場合、基板Ｗを高温
に加熱する必要がなく、成膜に際して基板Ｗに与えるダ
メージを少なくすることができる。また、イオンビーム
ＩＢは、配線金属であるＣｕ等の膜材料と同一の原子種
をイオン化したものであるので、イオンビームＩＢが基
板Ｗの表面に入射することによって、イオンビームＩＢ
そのものが基板Ｗの表面に直接的に薄膜を堆積すること
に寄与する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、イオンビームを利
用して気相成長型の成膜を行う成膜装置及び方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体プロセスでは、基板上にホールや
溝の埋込みを伴う成膜が行われる場合がある。このよう
な埋込み用の成膜として実用化されている成膜方法とし
て、主に気相成長法（いわゆるＣＶＤ法）と、スパッタ
法とがある。

【０００３】前者のＣＶＤ法では、例えば埋込み用の配
線金属の化合物を含有する反応ガスを基板上に供給し、
反応ガスの分解によって生成した膜材料を基板上に堆積
させる。このうち、反応ガスの分解を基板の熱で行うも
のを熱ＣＶＤと呼び、反応ガスの分解を基板近傍に形成
したプラズマ中の衝突で行うものをプラズマＣＶＤと呼
ぶ。なお、ＣＶＤ法には、ＭＯＣＶＤと呼ばれるものも
ある。このＭＯＣＶＤは、基本的には熱ＣＶＤであり、
原料ガスとして有機金属化合物を使用する。

【０００４】後者のスパッタ法では、イオンをカソード
であるターゲット材料に衝突させることによって、ター
ゲット材料から飛び出した成膜粒子による成膜を行う。
埋込みを目的とする場合、ホールや溝の底まで成膜粒子
が入射するように成膜粒子に高い指向性を持たせるコリ
メートスパッタと呼ばれる手法が利用されたり、帯電さ
せた基板にイオン化した成膜粒子を引きつけて基板によ
り垂直に成膜粒子を入射させるイオン化スパッタと呼ば
れる手法が利用される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前者のＣＶＤ法は、ホ
ールや溝の側面等に付き回り性良く成膜することができ
るという表面カバレッジの観点で優れるが、通常は、ス
パッタ法に比較して成膜速度が格段に遅いという問題が
ある。

【０００６】一方、後者のスパッタ法は、成膜速度を上
げることができるものの、付き回り性に欠ける。

【０００７】そこで、本発明は、成膜速度が大きく、付
き回り性にも優れた成膜装置及び方法を提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の成膜装置は、成膜対象である基板を収容す
る成膜室と、気相成長用の原料ガスを成膜室中に供給す
る原料供給手段と、イオンを発生するイオン源と、イオ
ン源からのイオンを所定エネルギー状態のイオンビーム
に制御して成膜室中の基板上に供給するビーム供給手段
とを備える。ここで、気相成長用の原料ガスとしては、
例えば配線金属の成膜では、この配線金属の化合物を気
化したものを用いることができる。

【０００９】上記成膜装置では、原料供給手段が気相成
長用の原料ガスを成膜室中に供給するので、基板の周辺
に原料ガスの雰囲気を形成することができ、基板表面に
微少な凹部があってもその内部に原料ガスを確実に供給
することができる。また、ビーム供給手段がイオン源か
らのイオンを所定エネルギー状態のイオンビームに制御
して成膜室中の基板上に供給するので、基板の表面に付
着した原料ガスや基板近傍に存在する原料ガスを分解し
て膜材料を効率よく生成することができ、基板上に比較
的付き回り性良く膜材料を堆積させることができる。こ
の場合、基板を特に加熱する必要がなく、基板をプラズ
マにさらすこともないので、基板に与えるダメージを少
なくすることができる。なお、イオンビームは、原料ガ
スを分解するだけでなく、分解後の膜材料を基板表面上
で活性化するので、得られた膜の密着性や膜質向上を図
ることができる。

【００１０】また、本発明の好ましい態様では、イオン
源が、例えば成膜材料から成るイオンを発生する。

【００１１】この場合、イオンビーム自体によっても、
成膜を進行させることができるので、成膜速度をさらに
向上させることができる。

【００１２】また、本発明の好ましい態様では、成膜室
に、基板の周辺に成膜材料で構成されたターゲットが配
置されており、ビーム供給手段が、ターゲットにイオン
ビームを入射させる。

【００１３】この場合、ターゲットのセルフスパッタに
よる成膜も並行して進めることができるので、成膜速度
をさらに向上させることができる。

【００１４】また、本発明の成膜方法では、気相成長用
の原料ガスを成膜対象である基板の周囲に供給する工程
と、イオン源から発生させたイオンを所定エネルギー状
態のイオンビームに制御して基板上に供給する工程とを
備える。

【００１５】上記成膜方法では、気相成長用の原料ガス
を基板の周囲に供給するので、基板表面に微少な凹部が
あってもその内部に原料ガスを確実に供給することがで
きる。また、イオン源からのイオンを所定エネルギー状
態のイオンビームに制御して基板上に供給するので、基
板表面に付着した原料ガスや基板近傍に存在する原料ガ
スを分解して膜材料を効率よく生成することができ、基
板上に比較的付き回り性良く膜材料を堆積させることが
できる。この場合、基板を特に加熱等する必要がなく、
基板に与えるダメージを少なくすることができる。な
お、イオンビームは、分解後の膜材料を基板表面上で活
性化するので、得られた膜の密着性や膜質向上を図るこ
とができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ、本発明
に係る成膜装置及び成膜方法の一実施形態について具体
的に説明する。

【００１７】図１は、実施形態の成膜装置の構造の概要
を示す構成図である。この成膜装置は、成膜対象である
基板Ｗを収容する成膜室１０と、原料ガス源２０からの
気相成長用の原料ガスを成膜室１０中に供給する原料供
給手段であるガス供給系３０と、イオンビームを成膜室
１０に供給するイオンビーム生成室４０とを備える。

【００１８】成膜室１０の内部には、基板Ｗを支持する
ホルダ１１が収容されている。指示されている基板Ｗ
は、半導体製造プロセスを経て微細口やトレンチ構造が
形成された半導体基板、液晶ガラス基板等である。成膜
室１０とイオンビーム生成室４０との境界を成す隔壁に
は、基板Ｗに対向して、成膜室１０内にイオンビームＩ
Ｂを導入するためのオリフィス４０ａが形成されてい
る。

【００１９】ガス供給系３０は、ホルダ１１上の基板Ｗ
の周囲から基板Ｗに向けて原料ガスであるプリカーサガ
スＰＧを供給する。このプリカーサガスＰＧは、埋込み
用の配線金属の化合物からなり、不活性ガスや還元・酸
化ガス等のキャリアガスを含有するものとすることがで
きる。例えば、配線金属としてＣｕを成膜する場合、プ
リカーサガスＰＧとして塩化銅ＣｕＣｌ_３を加熱・気化
したものを用いることができる。なお、塩化銅ＣｕＣｌ
_３に代えて、Ｃｕ（ｈｆａｃ）ｔｍｖｓを用いることも
できる。この場合、Ｃｕ（ｈｆａｃ）ｔｍｖｓをベーパ
ライザ等で気化するとともに、水素ガスをキャリアガス
として混合して成膜室１０に供給する。

【００２０】イオンビーム生成室４０には、イオンＩＯ
を発生するイオン源４１と、イオン源４１からのイオン
ＩＯを所定エネルギー状態に制御したイオンビームＩＢ
としてオリフィス４０ａを介して基板Ｗ上に供給するた
めのビーム制御部４３とを設けている。ここで、ビーム
制御部４３とオリフィス４０ａとはビーム供給手段を構
成し、イオンビームＩＢの供給によって、プリカーサガ
スＰＧの分解に寄与するとともに、自ら基板Ｗに入射し
て成膜に寄与する。なお、本実施形態では、イオンＩＯ
として配線金属であるＣｕ等の膜材料自体をイオン化し
たものを用いているが、これに代えて希ガスイオンを用
いることもできる。この場合、イオンビームＩＢは、プ
リカーサガスＰＧの分解に寄与するが、自ら成膜に寄与
することはない。

【００２１】図２は、成膜室１０の内部構造をより詳細
に説明する図である。基板Ｗ用のホルダ１１のオリフィ
ス４０ａ側部分であって基板Ｗの周囲には、プリカーサ
ガスＰＧの吐出口１１ｂが環状に形成されている。この
吐出口１１ｂは、ガス供給系３０を介して図１の原料ガ
ス源２０に接続されている。吐出口１１ｂのさらにオリ
フィス４０ａ側には、Ｃｕ等の配線金属からなるターゲ
ット１３が配置され、ホルダ１１から延びる支持部材１
４に固定されている。このターゲット１３は、基板Ｗの
周囲に均等な間隔で配列されており、オリフィス４０ａ
に対し負のバイアスがかけられるようになっている。

【００２２】なお、成膜室１０は、ゲート１６を介して
図示を省略する排気ポンプに接続されており、適当な気
圧（例えば１０〜１０^−３Ｐａ程度）に維持される。

【００２３】また、基板Ｗを支持するホルダ１１の内部
には、ヒータ１１ａや温度センサ（不図示）等が埋め込
まれており、ヒータ１１ａに適宜通電することで、基板
Ｗを所望の温度に加熱することができる。ホルダ１１内
部には、ヒータ１１ａに代えて或いはヒータ１１ａとと
もに、冷却水の配管を形成することもでき、この場合
は、基板Ｗを冷却することもできる。

【００２４】図３は、イオンビーム生成室４０の内部構
造をより詳細に説明する図である。まず、

【００２５】ここで、蒸発源１４１は、Ｃｕ等の配線金
属ＭＥを収容するルツボ１４１ａと、ルツボ１４１ａを
抵抗加熱する導電体１４１ｂとを備える。ルツボ１４１
ａ中の配線金属ＭＥは、加熱されて金属蒸気を発生す
る。プラズマ生成部２４１は、蒸発源１４１から出射し
た金属蒸気を囲むように配置されたイオン化コイル２４
１ａと、イオン化コイル２４１ａに高周波電圧を供給す
る交流電源２４１ｂと、イオン化コイル２４１ａ及び交
流電源２４１ｂの間に挿入されるマッチングボックス２
４１ｃとを備える。イオン化コイル２４１ａに囲まれた
空間に入射した金属蒸気は、ここに印加された高周波電
界によってプラズマ化される。引出部３４１は、プラズ
マ生成部２４１上方に対向して配置されるプラズマスク
リーングリッド３４１ａと、このプラズマスクリーング
リッド３４１ａに電圧を印加する電源３４１ｂとを備え
る。プラズマ生成部２４１から出射したプラズマのうち
金属イオンはプラズマスクリーングリッド３４１ａに引
き寄せられてこれを透過するが、電子はプラズマスクリ
ーングリッド３４１ａで跳ね返される。

【００２６】次に、ビーム制御部４３は、引出部３４１
で取り出されたイオンＩＯを所望のエネルギーまで加速
する加速部１４３と、加速されたイオンＩＯから必要な
ものを弁別してその進行方向を偏向する磁場形成部２４
３と、偏向されて水平方向に進行するイオンＩＯをオリ
フィス４０ａに向かって収束するイオンビームＩＢとす
るレンズ系３４３とを備える。

【００２７】ここで、加速部１４３は、プラズマスクリ
ーングリッド３４１ａに対向して配置されるイオン加速
グリッド１４３ａと、このイオン加速グリッド１４３ａ
に電圧を印加する電源１４３ｂとを備える。なお、イオ
ン加速グリッド１４３ａに印加される電圧は、イオンビ
ームＩＢが入射するオリフィス４０ａの部分にも印加さ
れる。すなわち、イオンビームＩＢが入射するオリフィ
ス４０ａの部分は、接地されたイオンビーム生成室４０
のチャンバ壁から絶縁されており、イオン加速グリッド
１４３ａの電位とオリフィス４０ａの部分の電位とが同
一に設定される。磁場形成部２４３は、加速部１４３を
経て所望のエネルギーまで加速されたイオンビームＩＢ
に対し紙面に垂直な方向から磁界を印加する。これによ
り、所望イオンに対応するイオンビームＩＢのみが水平
方向に偏向される。レンズ系３４３では、ほぼ平行なイ
オンビームＩＢが収束され、焦点位置にあるオリフィス
４０ａに入射する。

【００２８】なお、成膜室１０は、ゲート１６を介して
図示を省略する排気ポンプに接続されており、適当な気
圧（例えば１０^−２Ｐａ程度）に維持される。つまり、
成膜室１０とイオンビーム生成室４０とは差動排気され
た状態となっている。

【００２９】以下、動作について説明する。成膜室１０
において、吐出口１１ｂから吐出されたプリカーサガス
ＰＧは、拡散して基板Ｗの周辺にプリカーサガスＰＧの
雰囲気を形成する。この際、基板Ｗの表面にホールや溝
等の微細構造が形成されていても、これらの凹部の内部
にプリカーサガスＰＧを比較的均一に供給することがで
きる。

【００３０】一方、オリフィス４０ａから適当な広がり
角で出射したイオンビームＩＢは、発散しつつ基板Ｗの
表面に入射する。この際、イオンビームＩＢは、所定エ
ネルギー状態に制御されており、基板Ｗの表面に付着し
たプリカーサガスＰＧの分子や基板Ｗ近傍に存在するプ
リカーサガスＰＧの分子を分解して、基板Ｗ上に配線金
属等からなる薄膜を堆積する。この際、プリカーサガス
ＰＧが基板Ｗ表面の凹部に回り込むので、凹部の側面に
も比較的付き回り性良く薄膜を付着させることができ
る。さらにこの場合、基板Ｗを高温に加熱する必要がな
く、基板Ｗをプラズマにさらすこともないので、成膜に
際して基板Ｗに与えるダメージを少なくすることができ
る。

【００３１】また、イオンビームＩＢは、配線金属であ
るＣｕ等の膜材料と同一の原子種をイオン化したもので
あるので、イオンビームＩＢが基板Ｗの表面に入射する
ことになって、イオンビームＩＢを構成する配線金属イ
オンによって基板Ｗの表面に直接的に薄膜を堆積するこ
とができる。これにより、成膜速度をさらに向上させる
ことができる。

【００３２】さらに、基板Ｗの周囲に入射したイオンビ
ームＩＢは、配線金属であるＣｕ等からなるターゲット
１３をスパッタするので、ターゲット１３からは、配線
金属の粒子が飛び出す。この配線金属粒子は、基板Ｗの
表面に入射して基板Ｗ上に薄膜を形成する。これによ
り、成膜速度をさらに補助的に向上させることができ
る。

【００３３】なお、基板Ｗ上に入射したイオンビームＩ
Ｂは、基板Ｗ上の薄膜に入射して薄膜を構成する配線金
属の原子を活性化する。このような所謂イオンアシスト
効果によって、配線金属の密着性や配向性を向上させる
ことができる。

【００３４】図４は、図１に示す成膜装置を用いた成膜
過程を概念的に説明する図である。基板Ｗの周辺に供給
されたプリカーサガスの分子ＭＯの一部は、基板Ｗの表
面に吸着されて、ある程度の時間ここに留まる。この状
態で、基板Ｗ上にイオンビームＩＢが入射すると、基板
Ｗの表面に吸着された分子ＭＯが衝突エネルギーで一部
分解されて金属原子として基板Ｗの表面に付着する。ま
た、イオンビームＩＢ自体が基板Ｗの表面に入射するこ
とによって、イオンビームＩＢを構成する金属原子が基
板Ｗの表面に直接的に埋め込まれ或いは付着してここに
薄膜を形成する。なお、プリカーサガスの分子ＭＯの一
部は、基板Ｗに付着することなくイオンビームＩＢによ
って分解される場合もあり、この場合は分解によって形
成された金属原子ＭＡが基板Ｗの表面に付着する。

【００３５】イオンビームＩＢのエネルギーが大きけれ
ば、基板Ｗの表面に吸着された分子ＭＯを分解しやすく
なるが、イオンビームＩＢのエネルギーが大きくなり過
ぎると、基板Ｗの表面に形成された金属膜等が逆にスパ
ッタエッチされてしまう。実施形態のように銅の化合物
ガスを用いる場合、イオンビームＩＢのエネルギーを、
ガスの結合エネルギーに対応する数ｅＶからスパッタ率
が高まる５０ｅＶ程度までの間の適当な値に設定するこ
とが必要になる。

【００３６】以上、実施形態に即して本発明を説明した
が本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例
えば基板Ｗに形成する膜材料は、Ｃｕに限らず、他の金
属とすることができ、さらに非金属を成膜することもで
きる。

【００３７】また、成膜対象となる基板Ｗは、半導体基
板や液晶ガラス基板等に限るものではなく、樹脂等で形
成した基板上に上記と同様の成膜を行うことができる。
樹脂基板の場合、基板を高温にすることができないの
で、通常のＣＶＤ法では成膜ができないが、本実施形態
の装置では、基板Ｗを加熱する必要がない。つまり、樹
脂基板にダメージを与えることなく、付き回り性を向上
させ、成膜速度を上げ、さらにイオンアシスト効果によ
って密着性等の膜特性の向上を図ることができる。

【００３８】また、イオンビーム生成室４０において、
蒸発源１４１は、抵抗加熱に限らず、誘導加熱や電子ビ
ーム加熱によって配線金属を蒸発させるものとすること
ができる。その他、金属ターゲットを希ガス等でスパッ
タして金属粒子を発生させるものとすることもできる。

【００３９】また、プラズマ生成部２４１は、高周波放
電に限らず、マイクロ波を併用してプラズマ生成の効率
を高めることができる。

【００４０】

【発明の効果】本発明の成膜装置によれば、基板の周辺
に原料ガスの雰囲気を形成することができ、基板表面に
微少な凹部があってもその内部に原料ガスを確実に供給
することができる。また、基板の表面に付着した原料ガ
スや基板近傍に存在する原料ガスを分解して膜材料を効
率よく生成することができ、基板上に比較的付き回り性
良く膜材料を堆積させることができる。この場合、基板
を特に加熱する必要がなく、基板をプラズマにさらすこ
ともないので、基板に与えるダメージを少なくすること
ができる。なお、イオンビームは、原料ガスを分解する
だけでなく、分解後の膜材料を基板表面上で活性化する
ので、得られた膜の密着性や膜質向上を図ることができ
る。

【００４１】本発明の方法によれば、基板表面に微少な
凹部があってもその内部に原料ガスを確実に供給するこ
とができる。また、基板表面に付着した原料ガスや基板
近傍に存在する原料ガスを分解して膜材料を効率よく生
成することができ、基板上に比較的付き回り性良く膜材
料を堆積させることができる。この場合、基板を特に加
熱等する必要がなく、基板に与えるダメージを少なくす
ることができる。なお、イオンビームは、分解後の膜材
料を基板表面上で活性化するので、得られた膜の密着性
や膜質向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る成膜装置の全体構造
を説明する図である。

【図２】図１の成膜装置の成膜室の内部構造をより詳細
に説明する図である。

【図３】図１の成膜装置のビーム生成室の内部構造をよ
り詳細に説明する図である。

【図４】実施形態の装置における成膜過程を概念的に説
明する図である。

【符号の説明】

１０成膜室１１ホルダ１１ｂ吐出口１３ターゲット２０原料ガス源３０ガス供給系４０イオンビーム生成室４０ａオリフィス４１イオン源４３ビーム制御部１４１蒸発源１４３加速部２４１プラズマ生成部２４３磁場形成部３４１引出部３４３レンズ系ＩＢイオンビームＩＯイオンＭＥ配線金属ＰＧプリカーサガスＷ基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4K029 BA08 BD02 CA03 CA08 DC37 DD02 4M104 AA01 AA02 AA03 AA07 AA08 AA09 AA10 BB04 DD35 DD36 DD37 DD39 HH08 HH09 HH13 HH14 HH20 5F103 AA06 BB02 BB09 BB14 DD28

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】成膜対象である基板を収容する成膜室
と、気相成長用の原料ガスを前記成膜室中に供給する原料供
給手段と、イオンを発生するイオン源と、前記イオン源からのイオンを所定エネルギー状態のイオ
ンビームに制御して前記成膜室中の基板上に供給するビ
ーム供給手段とを備える成膜装置。
【請求項２】前記イオン源は、成膜材料から成るイオ
ンを発生することを特徴とする請求項１記載の成膜装
置。
【請求項３】前記成膜室には、基板の周辺に成膜材料
で構成されたターゲットが配置されており、前記ビーム
供給手段は、前記ターゲットに前記イオンビームを入射
させることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
【請求項４】気相成長用の原料ガスを成膜対象である
基板の周囲に供給する工程と、イオン源から発生させたイオンを所定エネルギー状態の
イオンビームに制御して基板上に供給する工程とを備え
る成膜方法。