JP2006307303A - 成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 同一チャンバ内で基板ステージ上の処理基板に対し、ＡＬＤ法による成膜とスパッタリング法による成膜とを行い得るように成膜装置を構成する場合に、ターゲットが、ＡＬＤ法を行う際に導入する原料ガスや反応ガスによって汚染されないようにする。
【解決手段】 真空チャンバ内に基板ステージ１２を配置し、ターゲット４１ａを有するスパッタリング成膜手段を、基板ステージの中心軸に対し所定の角度で傾斜させて設けると共に、化学的成膜手段を設ける。ターゲットと基板ステージとの間に、前記ターゲットを設けた真空チャンバの上方領域を隔絶するように遮蔽手段５を回転自在に設け、この遮蔽手段の所定の位置に前記ターゲットが臨む開口部５１を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、処理基板上に所定の薄膜を形成するための成膜装置に関し、特に、同一真空チャンバ内でスパッタリング法による成膜と、化学的成膜法による成膜との少なくとも一方を実施し得る成膜装置に関する。

近年、ＬＳＩの高集積化及び高速化に伴って、半導体素子の微細化と多層化とが進み、これに伴って埋込配線構造が用いられるようになってきた。絶縁膜に形成したビアホールやトレンチなどの層間接続孔に埋め込まれる配線材料としては、比抵抗値が小さい銅を用いることが主流である。ここで、埋込配線中の銅は、アルミニウムなどの他の配線材料とは異なり、ＳｉＯ_２などの絶縁膜中に拡散し易いという性質があることが知られている。

この場合、絶縁膜中への拡散に起因する絶縁不良などを防止するために 例えば絶縁膜と配線形成用の銅薄膜との間に（層間接続孔の内面）、ＣＶＤ法やスパッタリング法などにより、導電性の薄膜（バリア膜）を介在させることで、銅薄膜と絶縁膜とが直接接触することを防止して絶縁膜への拡散を抑制または防止することが考えられている。

このバリア膜の成膜方法としては、化学的成膜法、例えばＡＬＤ法があげられ、このＡＬＤ法は、真空チャンバ内に設置した処理基板を所定温度まで昇温させた後、原料ガス及び反応ガスのうちいずれか一方を導入して処理基板に吸着させる工程と、導入したガスを一旦真空排気した後、他方を導入して処理基板上で反応させる工程とを繰り返すことによって、原子層程度で金属層を積層し、所定膜厚のバリア膜を得るものである（特許文献１）。
特開平１１−５４４５９号（例えば、請求項１の記載参照）

このＡＬＤ法によってバリア膜を形成する場合、層間絶縁膜などへの充分な付着強度が得られないという問題がある。このことから、ＡＬＤ法によるバリア膜の形成に先立って、例えばスパッタリング法でバリア膜の密着層を形成することが考えられる。この場合、ＡＬＤ法によるバリア膜の形成とスパッタリング法による密着層の形成とを別個の真空チャンバで行なうと、バリア膜形成の作業効率が低下する等の問題が生じることから、同一の真空チャンバ内でＡＬＤ法によるバリア膜の形成とスパッタリング法による密着層の形成とを行うことが要請される。

同一の真空チャンバ内でＡＬＤ法による薄膜形成とスパッタリング法による薄膜形成とを行い得るようにする場合、スパッタリング用のターゲットの表面に、ＡＬＤ法による成膜の際に導入されるガスが吸着して汚染される虞がある。ターゲットが汚染されると、スパッタリング法による成膜時に例えば異常放電を誘発する等の不具合が生じ、良好な成膜ができない。

そこで、本発明の課題は、上記点に鑑み、同一の真空チャンバ内で、ターゲットの汚染を防止して、化学的成膜法による成膜とスパッタリング法による成膜とを良好に行い得る成膜装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の成膜装置は、真空チャンバ内に処理基板の設置を可能とする基板ステージを配置し、成膜材料であるターゲットを有し、基板ステージ上の処理基板に対しスパッタリング法により成膜を行い得るスパッタリング成膜手段を、基板ステージの中心軸に対し所定の角度で傾斜させて設け、基板ステージ上の処理基板に対し所定のガスを導入するガス導入手段を有し、基板ステージ上の処理基板に対し化学的成膜法により成膜を行い得る化学的成膜手段を設けた成膜装置であって、前記ターゲットと基板ステージとの間に、前記ターゲットを設けた真空チャンバの上方領域を隔絶するように遮蔽手段を回転自在に設け、この遮蔽手段の所定の位置に前記ターゲットが臨む開口部を形成したことを特徴とする。

本発明によれば、遮蔽手段に設けた開口部をターゲットが臨む位置に回転させた後、スパッタリング成膜手段を作動させて処理基板に対しスパッタリング法によって所定の薄膜が形成される。次いで、ターゲットが遮蔽される位置まで遮蔽手段を回転させ、この状態で、化学的成膜手段を作動させて処理基板に対し化学的成膜法による所定の薄膜が形成される。この場合、遮蔽手段によってターゲットを遮蔽しているため、化学的成膜法を行う際に導入される原料ガスや反応ガスのターゲット近傍への流れ込みが抑制され、これにより、ガスの吸着に起因したターゲットの汚染が防止できる。

尚、前記化学的成膜法は、原料ガスを導入して処理基板表面に原料ガスを吸着させる工程と、反応ガスを導入して吸着した原料ガスと反応させる工程とを周期的に繰り返して行うＡＬＤ法であることが好ましい。

ところで、スパッタリング成膜手段（即ち、ターゲット）を、基板ステージの中心軸に対し所定の角度で傾斜させて設けた場合、処理基板上に形成される薄膜の膜厚の面内均一性が高く保持されるようにする必要がある。この場合、前記基板ステージ上に設置される処理基板を回転させる駆動手段を基板ステージに設けておけばよい。

前記ガス導入手段は、基板ステージの上方に位置してこの基板ステージを囲うように設けたリング状のヘッド部を有し、このベッド部に、処理基板に向かって所定のガスを噴出するように所定の間隔を置いて複数のガス導入孔を形成しておけば、処理基板に対し所定のガスを均等に供給できてよい。

また、前記ターゲットの近傍に、所定のパージガスの導入を可能とするガス導入手段を設けておけば、化学的成膜法による成膜の際に、ターゲット近傍へのガスの流れ込みをさらに抑制できてよい。

さらに、前記ターゲットが遮蔽手段によって遮蔽された位置で、スパッタリング成膜手段を作動させてプレスパッタを行うように制御すれば、仮にターゲット近傍に流れ込んだガスによってターゲット表面が多少汚染された場合でも、プレスパッタで汚染された部分をクリーニングでき、スパッタリング法による成膜時に例えば異常放電を誘発する等の不具合が発生するのを防止して良好な成膜が可能になる。

以上説明したように、本発明の成膜装置は、同一の真空チャンバ内で、ターゲットの汚染を防止して、化学的成膜法による成膜とスパッタリング法による成膜とを良好に行い得るという効果を奏する。

図１乃至図３を参照して、１は、同一の真空チャンバ内で化学的成膜法であるＡＬＤ法による成膜とスパッタリング法による成膜とを良好に行い得る本発明の成膜装置である。成膜装置１は、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段２を有する真空チャンバ１１を有し、真空チャンバ１１の底部には、シリコンウェハーなどの処理基板Ｓの載置を可能とする基板ステージ１２が設けられている。基板ステージ１２には、処理基板Ｓを所定温度に加熱するために、例えば抵抗加熱方式の公知の加熱手段（図示せず）が内蔵されている。

また、基板ステージ１２の直上に位置して真空チャンバ１１内には、処理基板Ｓに対し化学的成膜法による成膜を行う際に、所定のガスを導入する第１及び第２の各ガス導入手段３１、３２が設けられ、この加熱手段と各ガス導入手段３１、３２とが化学的成膜手段３を構成する。図１及び図２に示すように、第１及び第２のガス導入手段３１、３２は、基板ステージ１２を囲うように同心状であって上下方向にずらして設けたリング状のヘッド部３１ａ、３２ａをそれぞれ有し、各ベッド部３１ａ、３２ａには、処理基板Ｓに向かって所定のガスを噴出するように９０度づつ角度をずらして４個のガス導入孔３１ｂ、３２ｂが形成されている。また、各ヘッド部３１ａ、３２ａは、マスフローコントローラを介設したガス管３１ｃ、３２ｃを介して、図示しない所定のガス源（例えば、原料ガス源、反応ガス源）にそれぞれ連通している。

例えば処理基板Ｓ上に形成した絶縁膜にパターニングして形成した層間接続孔にＡＬＤ法によりバリア膜を形成する場合、原料ガスとしては、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）などを化学構造中に含む有機金属ガスであり、反応ガスとしては、原料ガスと反応し、これらの金属の構成元素を化学構造中に含む金属薄膜を析出させるアンモニアガスなどである。

そして、基板ステージ１２に載置した処理基板Ｓを所定温度まで昇温させた後、原料ガス及び反応ガスのうちいずれか一方を導入して処理基板Ｓに吸着させる工程と、この一方のガスを一旦真空排気した後、他方を導入して処理基板Ｓ上で反応させる工程とを繰り返すことによって、原子層程度で金属層を積層し、所定膜厚の薄膜が得られる。

ここで、ＡＬＤ法によって成膜すると、付着強度が弱いという問題がある。このことから、本実施の形態では、同一真空チャンバ１１内でＡＬＤ法による薄膜形成に先立ってスパッタリング法で所定の密着層を形成できるように、真空チャンバ１２の上面にはスパッタリングカソード４１が、基板ステージ１２の中心軸に対し所定の角度で傾斜させて設けられている。

スパッタリングカソード４１は、公知の構造を有し、処理基板Ｓが載置される基板ステージ１２の中心軸に対し所定の角度で傾斜したターゲット４１ａを有する。ターゲット４１ａは、処理基板Ｓ上に成膜しようする薄膜の組成に応じて公知の方法で作製される。例えば、スパッタリング法でバリア膜の密着層を形成する場合のターゲットとしては、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）など、原料ガスに含まれる金属の構成元素を主成分とするものである。また、ターゲット４１ａは、このターゲット４１ａの前方にプラズマが発生させるため、ターゲットに直流電圧または高周波電圧を印加するスパッタ電源４２に接続されている。この場合、処理基板Ｓもまた、バイアス電圧を印加するためにスパッタ電源４２に接続されている。

ターゲット４１ａの近傍には、第３のガス導入手段４３が設けられている。ガス導入手段３は、マスフローコントローラを介設したガス管４３ａを介して図示しないガス源に連通し、アルゴンなどのスパッタガスを一定の流量で導入できるようになっており、スパッタリングカソード４１、スパッタ電源４２及び第３のガス導入手段４３がスパッタリング手段４を構成する。

ところで、上記のように、同一の真空チャンバ１１内でＡＬＤ法による成膜とスパッタリング法による成膜とを行い得るように成膜装置１を構成した場合、ターゲット４１ａの表面（スパッタ面）に、ＡＬＤ法による成膜の際に導入される原料ガスや吸着ガスが吸着して汚染される虞がある。ターゲット４１ａが汚染されると、スパッタリング法による成膜時に例えば異常放電を誘発する等の不具合が生じ、良好な成膜の妨げとなる虞がある。

本実施の形態では、ターゲット４１ａが存する真空チャンバ１１の上部空間１１ａを隔絶するように、基板ステージ１２とターゲット４１ａとの間にドーム状の遮蔽手段５を設けた。図１及び図３に示すように、遮蔽手段５には、ターゲット４１ａから基板ステージ１２上の処理基板Ｓが臨むようにターゲット４１ａの外形より大きい面積を有する開口部５１が形成されている。この場合、遮蔽手段５は、略台形の断面を有し、開口部５１を設けたの傾斜面５ａは、ターゲット４１ａのスパッタ面に平行に形成され、その外周端部５ｂは、真空チャンバ１１の内壁面に平行となるように屈曲され、円筒形状の真空チャンバの内壁面に近接させている。遮蔽手段５はまた、真空チャンバ１１上部の中央に設けたモータなどの駆動手段５２の回転軸５３に連結され、回転自在である。

これにより、開口部５１とターゲット４１ａとが一致しない遮蔽位置では、遮蔽手段５によってターゲット４１ａが遮蔽されているため、化学的成膜法を行う際に導入される原料ガスや反応ガスのターゲット近傍への流れ込みが抑制され、これにより、ガスの吸着に起因したターゲット４１ａの汚染が防止できる。この場合、ターゲット４１ａの近傍に、希ガスなどの所定のパージガスの導入を可能とする第４のガス導入手段４４を設けて、遮蔽手段５と真空チャンバ１１の内壁面との間の間隙などを通って原料ガスや反応ガスが流れ込むのを防止している。

また、遮蔽位置で、スパッタリングカソード４１を作動させてプレスパッタを行うように制御すれば、ターゲット４１ａ近傍に流れ込んだガスによってターゲット表面が多少汚染されても、プレスパッタで汚染された部分をクリーニングでき、スパッタリング法による成膜時に例えば異常放電を誘発する等の不具合が発生するのを防止して良好な成膜が可能になる。

真空排気手段２の排気管２１、２２は、真空チャンバ１１の上部空間１１ａと、基板ステージが存する空間１１ｂにそれぞれ接続され、例えば、真空ポンプの上流側に切換弁（図示せず）を配置しておき、この切換弁を切換えて各空間１１ａ、１１ｂを独立して真空排気できるように構成している。

ところで、ターゲット４１ａを、基板ステージ１２の中心軸に対し所定の角度で傾斜させて設けた場合、処理基板Ｓ上に形成される薄膜の膜厚の面内均一性が高く保持されるようにする必要がある。このため、前記基板ステージ１２上に設置される処理基板Ｓを回転させるモータなどの駆動手段１２ａを基板ステージ１２に設けている。

また、ＡＬＤ法による成膜を行う場合、その成膜速度を高めるには、原料ガスや反応ガスの処理基板への吸着速度を高めると共に真空チャンバ内に導入した原料ガスや反応ガスが急速に真空排気できるようにする必要がある。他方で、スパッタリング法によって処理基板Ｓに対し成膜する場合、処理基板Ｓ面内での薄膜の膜厚の均一性を高めるには、ターゲット４１ａと処理基板Ｓとの間の距離を設定する必要がある。

このため、ターゲット４１ａと処理基板Ｓとの間の距離が１２０ｍｍ〜３００ｍｍの範囲であり、空間１１ｂの容積が可能な限り小さくなるように真空チャンバ１１底面から遮蔽手段５までの高さ位置を設定している。ヘッド部３１ａ、３２ａと処理基板Ｓとの間の距離は、１５〜３０ｍｍの範囲に設定される。

次に、本発明の成膜装置１を用いて、絶縁膜に形成した層間接続孔に配線用の埋込層を形成するのに先立ってバリア膜を形成する際の作動について説明する。処理基板Ｓの表面の脱ガスなどの前処理工程が終了した後、基板ステージ１２に処理基板Ｓを載置する。この状態では、遮蔽手段５は、開口部５１とターゲット４１ａが一致した開放位置にある。この状態で、駆動手段１２ａによって処理基板Ｓを所定回転数で回転させつつ、第３のガス導入手段４３を介してスパッタガスを真空チャンバ１１内に導入し、スパッタ電源４２を介してターゲット４１ａに高周波電圧を印加することでターゲット４１ａの前方にプラズマを発生させてターゲット４１ａをスパッタリングし、絶縁膜上に所定膜厚で絶縁膜側密着層を形成する。

次いで、駆動手段５２によって遮蔽手段５を回転させつつ、基板ステージ１２に内蔵した加熱手段を作動させて処理基板Ｓを加熱する。次いで、遮蔽手段５を遮蔽位置に保持し、空間１１ｂ内の圧力が所定値に到達すると共に、処理基板Ｓが所定温度に達すると、第１のガス導入手段３１を介して原料ガスを導入して、処理基板Ｓの表面に原料ガスを吸着させる。次いで、第１のガス導入手段３１に設けたマスフローコントローラを制御して原料ガスの供給を停止し、再度空間１１ｂの圧力が所定値に到達するまで真空排出する。

次いで、第２のガス導入手段３２を介して反応ガスを導入し、処理基板Ｓ表面に吸着された原料ガスと反応させる。この場合、反応ガスをラジカル化して導入してもよい。そして、第２のガス導入手段３２に設けたマスフローコントローラを制御して反応ガスの供給を停止し、再度空間１１ｂの圧力が所定値に到達するまで真空排出する。そして、上記手順を所望回数繰り返すことで、密着層上に所定膜厚でバリア膜が形成される。この場合、上記手順を所望回数繰り返して成膜を終了する直前に、遮蔽位置で、スパッタリング手段４を作動させてプレスパッタを行う。

所定膜厚のバリア膜を形成し、プレスパッタが終了した後、遮蔽手段５を開放位置まで回転させ、第３のガス導入手段４３を介してスパッタガスを導入すると共に、スパッタ電源４２を介してターゲット４１ａに高周波電圧を印加することでターゲット４１ａの前方にプラズマを発生させて、ターゲット４１ａをスパッタリングして、バリア膜の表面に金属薄膜すなわちバリア膜側密着層を形成する。

尚、本実施の形態では、化学的成膜法を行う際に遮蔽手段５によってターゲット４１ａを遮蔽することとしたが、これに限定されるものではなく、例えば、ＡＬＤ法による成膜中に、遮蔽手段５を開放位置に保持すると共に、スパッタガスを導入し、ターゲット４１ａに高周波電圧を印加してプラズマを発生させるようにしてもよい。この場合、原料ガスと反応ガスとを反応させて処理基板Ｓの表面上でバリア膜を形成する間、スパッタリングによって原料ガスと同じ金属の構成元素を主成分とする金属を処理基板Ｓ入射させることで、バリア膜中の金属の構成元素の含有率が増加させて改質でき、緻密なバリア膜が得られる。

原料ガスが有機金属化合物の場合、スパッタリングによってこの構成元素が処理基板Ｓの表面に入射することにより、分解が促進されてカーボン等の不純物がバリア膜からはじき出されるため、不純物の少ない低抵抗のバリア膜を取得することができる。例えば、ターゲット４１ａとして金属タンタル、原料ガスとして有機タンタルガス、反応ガスとしてアンモニアガスを使用した場合、処理基板Ｓの表面上で有機タンタルとアンモニアガスとが反応している間に、金属タンタルが入射し、処理基板Ｓ表面に窒化タンタルの薄膜が析出される。

また、本実施の形態では、絶縁膜と銅配線膜との間にバリア層を形成するものを例として説明し、化学的成膜法としてＡＬＤ法を用いているが、これに限定されるものではなく、化学的成膜法としてはＣＶＤ法でもよく、スパッタリング法及び化学的成膜法を実施して薄膜を形成するものであれば、適用できる。

さらに、真空チャンバー１１の形状については、遮蔽手段５によって、化学的成膜法を行う際に導入される原料ガスや反応ガスのターゲット近傍への流れ込みが抑制されるもののであればよく、例えば、多角形状や円筒形状にすることができる。

本発明の成膜装置を概略的に示す断面図。 化学的成膜法を行う際に用いるガスリングを説明する図。 遮蔽手段を説明する上面図。

符号の説明

１ 成膜装置
１１ 真空チャンバ
１２ 基板ステージ
２ 真空排気手段
３ 化学的成膜手段
３ａ、３ｂ、４３ ガス導入手段
４ スパッタリング成膜手段
４１ａ ターゲット
５ 遮蔽手段
５１ 開口部

Claims (6)

1. 真空チャンバ内に処理基板の設置を可能とする基板ステージを配置し、成膜材料であるターゲットを有し、基板ステージ上の処理基板に対しスパッタリング法により成膜を行い得るスパッタリング成膜手段を、基板ステージの中心軸に対し所定の角度で傾斜させて設け、基板ステージ上の処理基板に対し所定のガスを導入するガス導入手段を有し、基板ステージ上の処理基板に対し化学的成膜法により成膜を行い得る化学的成膜手段を設けた成膜装置であって、前記ターゲットと基板ステージとの間に、前記ターゲットを設けた真空チャンバの上方領域を隔絶するように遮蔽手段を回転自在に設け、この遮蔽手段の所定の位置に前記ターゲットが臨む開口部を形成したことを特徴とする成膜装置。
2. 前記化学的成膜法は、原料ガスを導入して処理基板表面に原料ガスを吸着させる工程と、反応ガスを導入して吸着した原料ガスと反応させる工程とを周期的に繰り返して行うＡＬＤ法であることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
3. 前記基板ステージ上に設置される処理基板を回転させる駆動手段を基板ステージに設けたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の成膜装置。
4. 前記ガス導入手段は、基板ステージの上方に位置してこの基板ステージを囲うように設けたリング状のヘッド部を有し、このベッド部に、処理基板に向かって所定のガスを噴出するように所定の間隔を置いて複数のガス導入孔を形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の成膜装置。
5. 前記ターゲットの近傍に、所定のパージガスの導入を可能とするガス導入手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の成膜装置。
6. 前記ターゲットが遮蔽手段によって遮蔽された位置で、スパッタリング成膜手段を作動させてプレスパッタを行うように制御することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の成膜装置。

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