JP2008045219A

JP2008045219A - リフロースパッタリング方法及びリフロースパッタリング装置

Info

Publication number: JP2008045219A
Application number: JP2007273853A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Kobayashi; 正彦小林; Nobuyuki Takahashi; 信行高橋
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2007-10-22
Publication date: 2008-02-28

Abstract

【課題】基板９の温度を比較的低温に保ちながら、微細なホール９０の内面に配線材料を埋め込むことを可能にする。
【解決手段】基板９に形成された微細なホール９０の内面にアルミのベース薄膜９３をイオン化スパッタによって作成した後、３００℃程度の温度でアルミ膜をスパッタによって作成しながらリフローさせてリフロー薄膜９１を作成する（Ｄ）。ホール９０内のベース薄膜９３が厚いためにリフロー薄膜９１の拡散が促進され、ボイド９２の無い埋め込みが可能になる。ベース薄膜９３は途切れを防止するため１５０℃以下の温度で作成される。スパッタチャンバーはプラズマを形成するイオン化手段を有し、このプラズマ中でスパッタ粒子がイオン化される。イオン化スパッタ粒子は電界設定手段が与える電界によって基板９に垂直に多く入射し、ホール９０内のカバレッジが向上する。
【選択図】図４

Description

本願の発明は、基板に形成されたホール内に金属材料を埋め込むリフロースパッタリングの技術に関するものである。

ＬＳＩ（大規模集積回路）に代表される半導体デバイスの製造では、微細なホール内に金属材料を埋め込む工程が必要とされている。例えば、電極部に設けたコンタクトホール内に配線材料を埋め込んで下地チャンネルとの導通を図るプラグ埋め込み工程や、多層配線構造における層間スルーホール内に配線材料を埋め込んで層間配線を行う工程等が行われている。このような埋め込みは、ホール内に薄膜を堆積させることで行われる。この埋め込みは、メタルＣＶＤ（化学蒸着）とリフロースパッタリングとの併用で、これまで発展してきた。メタルＣＶＤでは、例えばＷＦ₆の還元反応によるタングステン膜の作成（ブランケットタングステン）が代表的であるし、リフロースパッタリングではアルミ合金製のターゲットをスパッタするのが代表的である。

しかしながら、デバイスの高密度化と多層配線化に伴い、プロセスコストがかさむメタルＣＶＤよりも、リフロースパッタリングの方が有利であると考えられてきている。リフロースパッタリングは、ホールの開口の直径又は幅（以下、ホール幅と称す）が小さくなってもメタルＣＶＤに比較して配線抵抗が小さく抑えられる優位性もあり、０．２５μｍ〜０．１８μｍのホール幅の埋め込みに有望視されている。

そして、さらにデバイスの集積度が高くなり、０．１３μｍ程度のホール幅のデバイス（４メガビットＤＲＡＭ（ＤｙｎａｍｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）クラス）では、アルミ合金による埋め込みではプラグの抵抗値が限界となってしまうため、アルミ合金から銅合金に変更せざるを得ない可能性も指摘されている。従って、将来的には、銅合金よりなるターゲットをスパッタするリフロースパッタリングも視野に入れる必要がある。

図５は、このようなリフロースパッタリングを行う従来のリフロースパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。図５に示すスパッタリング装置は、排気系２１を備えたスパッタチャンバー２と、スパッタパッタチャンバー２内に被スパッタ面２２０を露出させるようにして設けられたターゲット２２と、ターゲット２２をスパッタするためのスパッタ電源２３と、スパッタによって放出されたターゲット２２の材料が到達するスパッタチャンバー２内の所定位置に基板９を配置するための基板ホルダー２４と、スパッタチャンバー２内に所定のプロセスガスを導入するプロセスガス導入系２５と、基板９を所定温度に加熱するよう基板ホルダー２４内に設けられたヒータ２６とを備えている。

ターゲット２２は例えばアルミ合金製であり、絶縁材２２１を介してスパッタチャンバー２に取り付けられている。スパッタ電源２３は、ターゲット２２に負の高電圧を印加するよう構成されている。アルゴン等のプロセスガスがプロセスガス導入系２５によってスパッタチャンバー２に導入され、ターゲット２２に負の高電圧が印加されると、接地電位である基板ホルダー２４やスパッタチャンバー２の器壁との間に直流電界が設定され、この直流電界によってスパッタ放電が生ずる。このスパッタ放電によってターゲット２２から放出された金属材料の粒子（通常は原子の状態、以下、スパッタ粒子と呼ぶ）は、基板９に到達してアルミ合金の薄膜を堆積する。

一方、ヒータ２６からの熱は基板ホルダー２４を経由して基板９に与えられる。そして、ヒータ２６が制御部によって制御され、基板９は所定の温度に制御される。基板９の表面に堆積した又は堆積しつつある薄膜は、基板９の熱によって流動化（リフロー）し、微細なホール内に流れ込む。この結果、ホール内にアルミ合金が埋め込まれ、基板９の表面が平坦化される。

現在、デバイスの高密度化、多層複雑配線化、高速化、高機能化等を背景として、基板を４５０℃を越える温度にはしないようにして処理することが要請されている。しかしながら、上述したリフロースパッタリングでは、アルミ合金であれ、銅合金であれ、基板を５００℃以上の高温に加熱しないと、十分流動化せず、ホール内に十分埋め込むことが困難である。４５０℃を越える温度でリフローさせると、例えば、下地層に対するバリアとして形成したＴｉＮ膜等が破壊される問題がある。また、４５０℃を越える温度でリフローさせて層間配線を行うと、下地層の配線材料もリフローしてしまう等の熱ダメージが生ずる問題がある。

本願の発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、基板の温度を比較的低温に保ちながら、微細なホールの内面に配線材料を埋め込むことが可能なリフロースパッタリングの手法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、セパレーションチャンバーと、該セパレーションチャンバーの周囲に設けられた複数の処理チャンバーとを有し、前記セパレーションチャンバー内に設けられた搬送機構により、処理対象である基板が前記複数の処理チャンバーに順次送られるリフロースパッタリング装置において、前記複数の処理チャンバーに、リフロースパッタリングの下地膜としてバリア膜を作成するバリア膜作成チャンバーと、リフロースパッタリングを行うスパッタチャンバーとが含まれており、前記バリア膜作成チャンバーが、スパッタ電源に接続されたチタン製のターゲットと、スパッタによって前記ターゲットから放出されたスパッタ粒子が到達する位置に基板を載置する基板ホルダーと、該基板ホルダーに載置された前記基板を加熱するヒータと、前記スパッタ粒子をイオン化させるイオン化手段と、前記基板に対して垂直な電界を設定して前記イオン化させたスパッタ粒子を加速して前記基板に垂直に入射させる電界設定手段とを備えており、前記スパッタチャンバーが、スパッタ電源に接続されたアルミニウム又はアルミニウム合金製のターゲットと、スパッタによって前記ターゲットから放出されたスパッタ粒子が到達する位置に基板を載置する基板ホルダーと、該基板ホルダーに載置された前記基板を加熱するヒータと、前記スパッタ粒子をイオン化させるイオン化手段と、前記基板に対して垂直な電界を設定して前記イオン化させたスパッタ粒子を加速して前記基板に垂直に入射させる電界設定手段とを備えているという構成を有する。上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、上記請求項１のスパッタチャンバーにおいて、前記ヒータは、前記基板に形成された微細なホールの側面及び底面に前記アルミニウム又はアルミニウム合金のベース薄膜を作成する第一の工程ではベース薄膜の途切れが防止される低い第一の温度で基板を加熱し、第一の工程の後の第二の工程では、第一の温度より高い第二の温度で基板を加熱してアルミニウム又はアルミニウム合金をさらに堆積させて薄膜をホール内にリフローさせるものであり、前記基板ホルダーは、その基板配置面に形成された凹部に昇圧用ガスを導入する昇圧用ガス導入系と、基板ホルダーに基板を静電気によって吸着する静電吸着機構とを備えており、該静電吸着機構と昇圧用ガス導入系とが、前記第一の工程では動作せず、前記第二の工程でともに動作するものであるという構成を有する。上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、請求項１に記載のリフロースパッタリング装置を用い、前記バリア膜作成チャンバーで、微細なホールが形成された前記基板の表面にチタンのバリア膜を形成した後、該バリア膜を形成した前記基板を前記搬送機構により前記スパッタチャンバーに送って基板ホルダーに載置し、前記スパッタチャンバーにおいて、スパッタによってアルミニウム又はアルミニウム合金製の前記ターゲットから放出されたスパッタ粒子を、電界設定手段で設定した前記基板に対して垂直な電界で前記基板に垂直に入射させることで、前記ホールの側面及び底面にアルミニウム又はアルミニウム合金のベース薄膜を、該ベース薄膜の途切れが防止される第一の温度下の前記基板に薄く形成する第一の工程と、前記基板を、前記第一の温度より高い第二の温度までヒータで加熱するとともに、前記イオン化手段及び電界設定手段の動作を継続又は停止して、アルミニウム又はアルミニウム合金の薄膜をさらに堆積させて前記ホール内にリフローさせることで前記ホール内にアルミニウム又はアルミニウム合金を埋め込む第二の工程とを行うという構成を有する。上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、上記請求項３の構成において、前記スパッタチャンバーにおいて、前記基板ホルダーは、その基板配置面に形成された凹部に昇圧用ガスを導入する昇圧用ガス導入系と、基板ホルダーに基板を静電気によって吸着する静電吸着機構とを備えており、該静電吸着機構と昇圧用ガス導入系とを、前記第一の工程では動作させず、前記第二の工程でともに動作させるという構成を有する。

本願の各請求項の発明によれば、ホール内のベース薄膜の膜厚が十分に厚くなるので、第二の工程において５００℃を越えるような高温にしなくても、ボイドの無いリフロースパッタリングが行える。このため、微細化、高機能化が進展する次世代のデバイスの製作に適したものとなる。また、請求項２又は４の発明によれば、上記効果に加え、基板の温度上昇を静電吸着機構と昇圧用ガス導入系の動作によって行うので、応答性が良くなり、効率の良い処理が行える。また、第二の工程において、静電吸着機構を昇圧ガス導入手段より先に動作させると、上記効果に加え、基板の静電吸着が不十分になってしまう恐れがないという効果が得られる。

以下、本願発明の実施の形態について説明する。図１は、本願発明の実施形態のリフロースパッタリング装置の概略構成を示す平面図である。本実施形態の装置は、マルチチャンバータイプの装置であり、中央に配置されたセパレーションチャンバー１と、セパレーションチャンバー１の周囲に設けられた複数の処理チャンバー２，３，４，５，６及び二つのロードロックチャンバー７とからなるチャンバー配置になっている。各チャンバー１，２，３，４，５，６，７は、専用又は兼用の排気系によって排気される真空容器である。また、セパレーションチャンバー１に対する各チャンバー２，３，４，５，６，７の接続個所にはゲートバルブ１０がそれぞれ設けられている。

セパレーションチャンバー１内には、搬送機構１１が設けられている。搬送機構１１は、一方のロードロックチャンバー７から基板９を一枚ずつ取り出し、各処理チャンバー２，３，４，５，６に送って順次処理を行うようになっている。そして、最後の処理を終了した後、他方のロードロックチャンバー７に戻すようになっている。搬送機構１１としては、先端に基板９を載置して保持するアームを備えた多関節ロボットが好適に使用される。二つのアームを備えて同時に二枚の基板９を独立して移動させることができるよう構成されると、搬送の効率が向上するため好適である。また、セパレーションチャンバー１内は、不図示の排気系によって排気され、常時１０^-7〜１０^-8Ｔｏｒｒ程度の真空圧力が維持される。従って、搬送機構１１としては、この真空圧力下で動作可能なものが採用される。

次に、図２を使用して、スパッタチャンバー２の構成について説明する。図２は、図１に示すスパッタチャンバー２の構成を示す正面概略図である。スパッタチャンバー２は、内部を排気する排気系２１と、スパッタチャンバー２内に被スパッタ面２２０を露出させるようにして設けられたターゲット２２と、ターゲット２２をスパッタするためのスパッタ電源２３と、スパッタによって放出されたターゲット２２の材料が到達するスパッタチャンバー２内の所定位置に基板９を配置するための基板ホルダー２４と、スパッタチャンバー２内に所定のプロセスガスを導入するプロセスガス導入系２５と、基板９を所定温度に加熱するよう基板ホルダー２４内に設けられたヒータ２６とを備えている。

スパッタチャンバー２は、ステンレス等で形成された気密な容器であり、電気的には接地されている。スパッタチャンバー２には、ゲートバルブ１０が設けられており、搬送チャンバー１やロードロックチャンバー７を経由して大気側との基板９の搬入搬出が行われる。排気系２１は、ターボ分子ポンプやクライオポンプ等の複数段の真空ポンプ２１１を備えて、スパッタチャンバー２内を１０^-9Ｔｏｒｒ程度まで排気可能に構成される。排気系２１には、バリアブルオリフィス等の不図示の排気速度調整器２１２が設けられており、所定の排気速度で排気可能となっている。

ターゲット２２は、絶縁材２２１を介してスパッタチャンバー２に取り付けられている。ターゲット２２は、本実施形態ではアルミニウム又はアルミニウム合金製である。スパッタ電源２３は、ターゲット２２に−５００〜−７００Ｖ程度の負の高電圧を印加するようになっている。この負の高電圧によって、ターゲット２２と基板ホルダー２４等との間に直流電界が設定され、スパッタ放電が生じる。

ターゲット２２の背後には、磁石機構２２２が設けられている。磁石機構２２２は、マグネトロン放電を達成させるものである。具体的には、磁石機構２２２は、中心磁石２２３と、中心磁石２２３を取り囲む周状の周辺磁石２２４と、中心磁石２２３及び周辺磁石２２４を固定した板状のヨーク２２５とから構成されている。中心磁石２２３と周辺磁石２２４との間には、ターゲット２２を貫通するアーチ状の磁力線２２６が設定される。この磁力線２２６とターゲット２２の被スパッタ面２２０とで囲まれた領域に電子が閉じこめられ、中性ガス分子が高い効率でイオン化する。このため、スパッタ放電が効率よく維持され、多くのスパッタ粒子が放出されて高い成膜速度が得られる。また、スパッタ電源２３によって設定される直流電界の向きはターゲット２２の被スパッタ面２２０に垂直である。従って、アーチ状の磁力線２２６の頂上付近で磁界と電界が直交し、マグネトロン放電が達成される。即ち、電子がマグネトロン運動し、ターゲット２２の中心軸の回りに周回してスパッタ放電の効率をさらに向上させる。

スパッタ放電に必要なプロセスガスは、プロセスガス導入系２５によって導入される。プロセスガス導入系２５は、所定のガスを貯めたガスボンベ２５０と、ガスボンベ２５０とスパッタチャンバー２とをつなぐ配管２５１上に設けたバルブ２５２や流量調整器２５３等で構成される。尚、ターゲット２２から放出されるスパッタ粒子のイオン化のみでスパッタ放電が維持される場合、プロセスガスが導入されない場合もある。

また、基板ホルダー２４の内部には、輻射加熱方式等のヒータ２６が設けられている。ヒータ２６としては、例えば１ｋＷ程度の輻射加熱ランプが使用できる。尚、ヒータ２６の別の構成としては、抵抗加熱方式のヒータを基板ホルダー２４内に埋設するようにしてもよい。

また、基板ホルダー２４の基板配置面には凹部２４０が形成され、基板ホルダー２４は、この凹部２４０に昇圧用ガスを導入するガス導入路２４１を有している。さらに、ガス導入路２４１には昇圧用ガス導入系２４２が接続されている。昇圧用ガスとしては、Ａｒ、水素又はヘリウムが使用される。

そして、本実施形態の装置では、基板９を静電気によって基板ホルダー２４に吸着させる静電吸着機構２４３が設けられている。静電吸着機構２４３は、基板ホルダー２４の一部として設けられた誘電体ブロック２４４内に埋設された一対の吸着電極２４６と、一対の吸着電極２４６の間に直流電圧を印加する吸着用電源２４７とから主に構成されている。誘電体ブロック２４４はアルミナ等の誘電体製であり、金属製のホルダー本体２４５に対して密着性よく接合されている。誘電体ブロック２４４とホルダー本体２４５とは接着材等を使用して接合されるが、間に薄いカーボンシートのような緩衝材を介在させると、密着性よく両者が接合され、熱伝導性が良好に保たれる。

吸着用電源２４７は、例えば３００〜１ｋＶ程度の電圧を一対の吸着電極２４６の間に与えるよう構成されている。この電圧によって、誘電体ブロック２４４に誘電分極が生じ、表面に静電気が誘起される。この静電気によって、基板９が誘電体ブロック２４４に静電吸着される。この結果、基板ホルダー２４に対する基板９の密着性が向上し、凹部２４０からの昇圧用ガスの漏れが効果的に防止される。このため、スパッタチャンバー２内の雰囲気と凹部２４０内との間に十分な差圧が形成され、スパッタチャンバー２内を所定の真空圧力に保ちつつも凹部２４０内は所定の高い圧力に維持される。従って、ヒータ２６からの熱が基板ホルダー２４を経由して効率よく基板９に伝えられ、基板９の急速加熱が可能となる。

基板ホルダー２４の基板配置面に形成された凹部２４０の形状について、補足して説明する。図３は、図１に示す基板ホルダー２４の凹部２４０の形状について説明する平面概略図である。図２及び図３に示す通り、本実施形態の装置では、周縁に沿って延びる円環状の凸部と、この円環状の凸部の内側に散在する小さな円柱状の凸部によって凹部２４０が形成されている。ガス導入路２４１の出口２４８は、基板ホルダー２４の中央付近に形成されており、出口２４８から凹部２４０内に導入されたガスが、円柱状の凸部の間を通って拡散して凹部２４０内に充満するようになっている。

このような凹部２４０の構成は、基板配置面のうち基板９に直接接触する面積を大きくするのに役立っている。即ち、平面視が円形のような単純な形状の凹部２４０であると、基板配置面のうち基板９に直接接する部分の面積は小さくなる。このため、静電吸着機構２４３によって吸着した場合に十分基板９を吸着できないこともあり得る。しかしながら、本実施形態のような形状の凹部２４０にして基板９に直接接する部分の面積を大きくすると、全体の吸着力が増し、基板９を十分確実に吸着することができる。

さて、本実施形態のリフロースパッタリング装置の大きな特徴点は、スパッタによってターゲット２２から放出されたスパッタ粒子をイオン化させるイオン化手段２７と、基板９に対して垂直な電界を設定してイオン化したスパッタ粒子を加速させて基板９に垂直に入射させる電界設定手段２８とが設けられている点である。

イオン化手段２７は、高周波エネルギーによってスパッタ粒子をイオン化させるようになっており、スパッタチャンバー２内に設けられたイオン化電極２７１と、イオン化電極２７１に高周波エネルギーを供給する高周波電源２７２とから構成されている。イオン化電極２７１は、ターゲット２２から基板９へのスパッタ粒子の飛行空間を取り囲むように設けられている。イオン化電極２７１には、例えば、金属メッシュを円筒状に形成したものやコイル状のものが使用される。高周波電源２７２としては、例えば周波数１３．５６ＭＨｚ出力１ｋＷ程度のものが使用される。イオン化電極２７１によってスパッタチャンバー２内に設定される高周波電界は、上記スパッタ放電によるプラズマＰとは別に高周波放電によるプラズマＰ’を形成する。ターゲット２２から放出される中性スパッタ粒子は、このプラズマＰ’中の通過する際に、プラズマＰ’中のイオンや電子と衝突してイオン化する（以下、イオン化スパッタ粒子）ようになっている。

一方、電界設定手段２８は、スパッタチャンバー２内に基板９に垂直な電界を設定し、上記イオン化スパッタ粒子を基板９に垂直に入射させるよう構成されている。電界設定手段２８としては、本実施形態では、基板ホルダー２４に高周波電圧を印加して高周波とプラズマＰ’との相互作用により基板９に負の自己バイアス電圧を与える基板用高周波電源２８１が採用されている。基板用高周波電源２８１としては、例えば１３．５６ＭＨｚ出力３００Ｗ程度のものが使用できる。また、基板用高周波電源２８１と基板ホルダー２４との間には、整合器２８２が設けられている。さらに、基板９及び基板ホルダー２４がいずれも導体である場合、高周波の伝送経路に所定のコンデンサが設けられ、コンデンサを介して基板９に高周波電圧を印加するよう構成される。

コンデンサ等のキャパシタンスを介して基板９に高周波電圧を印加すると、キャパシタンスの充放電にプラズマＰ’中の電子と正イオンが作用し、電子と正イオンの移動度の違いによって基板９に負の自己バイアス電位が生じる。プラズマＰ’の空間電位はほぼ接地電位もしくは２０ボルト程度の正の電位であり、負の自己バイアス電位が生じた基板９とプラズマＰ’との間に、基板９に向かって徐々に電位が下がる電界が設定される。この電界の向きは基板９に対して垂直であり、正にイオン化されたスパッタ粒子はこの電界によって加速されて基板９にほぼ垂直に多く入射するようになっている。

次に、図１に戻り、他の処理チャンバーの構成について説明する。他の処理チャンバーのうちの一つは、成膜前に基板９をスパッタエッチングしてクリーニングするエッチングチャンバー３として構成される。装置に搬入される基板９の表面には、自然酸化膜や保護膜が形成されている場合がある。このような膜が形成されたままであると、作成する薄膜の電気特性が低下したり薄膜の付着性が悪くなったりする問題がある。そこで、成膜に先立ち、基板９の表面をスパッタエッチングして自然酸化膜や保護膜を除去している。エッチングチャンバー３は、アルゴン等のスパッタエッチング用のガスを導入する手段と、導入されたガスに高周波エネルギーを供給するなどしてプラズマを形成する手段と、プラズマ中から正イオンを引き出して基板９に入射させる電界を設定する手段とを備えている。プラズマ中の正イオンが基板９の表面に入射すると、表面の自然酸化膜や保護膜がスパッタエッチングされて除去される。この結果、基板９の本来の材料の清浄な表面が露出する。

また、他の処理チャンバーのうちの別の一つは、成膜前に基板９を予備加熱するプリヒートチャンバー４として構成される。プリヒートチャンバー４は、前述した基板ホルダー２４と同様の不図示の基板ホルダーを備えている。基板ホルダー内には輻射加熱方式等のヒータが設けられており、基板ホルダーに載置された基板９を所定温度まで加熱できるよう構成されている。尚、基板ホルダーに基板９を静電吸着させて熱伝導性を向上させたり、基板ホルダーと基板９との間の隙間に熱伝導性を向上させるガスを供給したりすることがある。予備加熱の主な目的は、脱ガス即ち基板９の吸蔵ガスを加熱して放出させることにある。この脱ガスを行っておかないと、スパッタチャンバー２におけるリフロースパッタリングの際に基板９から急激なガス放出が生じ、このガス放出によって薄膜内部に空洞が生じてしまう。このような空洞が生じると、配線抵抗が増加したり、最悪の場合には断線等の回路欠陥の原因となったりする場合がある。脱ガスのための基板９の加熱温度は、４００〜５００℃程度であり、加熱時間は、６０〜１８０秒程度である。

また、他の処理チャンバーのうちのさらに別の一つは、リフロースパッタ膜の下地膜としてバリア膜を作成するバリア膜作成チャンバー５として構成される。バリア膜には、通常、チタン膜が採用され、スパッタリングによって作成される。従って、バリア膜作成チャンバー５は、チタン製のターゲットを使用してスパッタリングを行う構成とされる。チタン製のターゲットを使用する他は、図２に示すスパッタチャンバーとほぼ同様の構成である。但し、スパッタリング中の基板９の温度は、４００℃程度とされる。

また、他の処理チャンバーのうちのさらに別の一つは、リフロースパッタ膜の上に積層する反射防止膜を作成する反射防止膜作成チャンバー６として構成される。反射防止膜は、後のリソグラフィ工程における基板９の露光時に、基板９からの反射光を防止するためのものである。反射防止膜には、通常、窒化チタン膜が採用され、スパッタリングによって作成される。反射防止膜作成チャンバー６は、チタン製のターゲットを使用するとともに、窒素ガスを導入してスパッタリングを行う構成とされる。チタン製のターゲットを使用する点、及び、窒素ガスを導入する点を除き、図２に示すスパッタチャンバーとほぼ同様の構成である。反射防止膜作成チャンバー６では、チタン製ターゲットの表面で窒素と反応して形成された窒化チタンがスパッタによって放出さたり、ターゲットから放出されたチタンが窒素と反応して窒化チタンとなったりしながら、基板９の表面に窒化チタン薄膜が堆積する。尚、成膜中に基板９はヒータによって加熱されることはなく、３０℃程度の温度である。

次に、上記構成に係る実施形態のリフロースパッタリング装置の動作を説明しながら、リフロースパッタリング方法の発明の実施形態について説明する。図１において、不図示のオートローダによって所定数の基板９が一方のロードロックチャンバー７に搬入され、ロードロックチャンバー７内のカセット７１に収容されている。搬送機構１１は、この一方のロードロックチャンバー７から一枚の基板９を取り出し、まずエッチングチャンバー３に送る。エッチングチャンバー３では、前述の通り表面の自然酸化膜や保護膜が除去される。次に、搬送機構１１はこの基板９をプリヒートチャンバー４に送る。基板９は、プリヒートチャンバー４内で予備加熱され、脱ガスが行われる。その後、搬送機構１１は、この基板９をバリア膜作成チャンバー５に送る。バリア膜作成チャンバー５では、前述した通り、チタン製のターゲットをスパッタしてチタン薄膜がバリア膜として基板９の表面に作成される。

次に、搬送機構１１は、この基板９をスパッタチャンバー２に送る。そして、スパッタチャンバー２では、以下のようにリフロースパッタリングを行って基板９の表面にアルミ膜を作成し、埋め込みを行う。スパッタチャンバー２での動作は、実施形態の方法の大きな特徴点を成している。第一の大きな特徴点は、基板の温度が異なる二段階の工程で行われることである。即ち第一の工程では基板９の温度は低く維持され、第二の工程では基板９の温度は高く保たれる。そして、第二の大きな特徴点は、第一の工程では、イオン化スパッタによってボトムカバレッジ率よくホール内に成膜を行う点である。

具体的に説明すると、搬送機構１１によって基板９を基板ホルダー２４上に載置した後、ゲートバルブ１０を閉じる。基板ホルダー２４内のヒータ２６は常時動作しているが、静電吸着機構２４３及び昇圧用ガス導入系２４２は動作していない。従って、基板ホルダー２４からの熱伝達は効率が悪く、基板ホルダー２４に載置された際の基板９の温度上昇は少ない。例えば、基板９は１００℃程度まで加熱されるに留まる。この低い温度の状態で、第一の工程を行う。即ち、プロセスガスガス系２５を動作させ、プロセスガスとしてのアルゴンガスがスパッタチャンバー２内に導入される。プロセスガス導入系２５の流量調整器２５３よってアルゴンガスの流量を１０〜３０ｃｃ／分程度に調整するとともに排気系２１の排気速度調整器２１２によって排気速度を調整し、スパッタチャンバー２内の圧力を１〜３ｍＴｏｒｒ程度に保つ。

この状態で、スパッタ電源２３を動作させ、アルゴンガスにスパッタ放電を生じさせてターゲット２２をスパッタさせる。ターゲット２２に与える電圧は６００Ｖ程度である。同時にイオン化手段２７の高周波電源２７２及び電界設定手段２８の高周波電源２８１を動作させる。イオン化電極２７１には１３．５６ＭＨｚ５００Ｗの高周波電力が与えられ、基板ホルダー２４には１３．５６ＭＨｚ１００Ｗの高周波電力が高周波電源２８１によって与えられる。イオン化手段２７によって形成されたプラズマＰ’中を通過する際に生成されたイオン化スパッタ粒子は、電界設定手段２８が設定した電界によって加速されて基板９により垂直に近い角度で入射する。この結果、基板９の表面に形成された微細なホールの底面や側面に到達し易くなり、底面や側面に十分な被覆性でアルミ薄膜が作成される。

次に、第二の工程を行う。まず、静電吸着機構２４３を動作させ、基板９を基板ホルダー２４に静電吸着させる。その後、昇圧用ガス導入系２４２を動作させ、基板ホルダー２４の表面の凹部２４０内にＡｒガス、水素ガス又はヘリウムガスを導入して凹部２４０の圧力を１０Ｔｏｒｒ程度に上昇させる。尚、静電吸着機構２４３と昇圧用ガス導入系２４２を同時に動作させたり、昇圧用ガス導入系２４２を先に動作させたりすると、基板９と基板ホルダー２４との間にガスが流れて基板９が浮き、静電吸着が十分に作動しない恐れがある。

このように静電吸着機構２４３及び昇圧用ガス導入系２４２を動作させると、ヒータ２６が与える基板ホルダー２４の熱は効率よく基板９に伝えられ、基板９の温度が上昇する。尚、静電吸着機構２４３及び昇圧用ガス導入系２４２を常時動作させ、ヒータ２６への投入電力の制御によって温度制御を行ってもよいが、基板９の温度の応答性が良くない欠点がある。静電吸着機構２４３及び昇圧用ガス導入系２４２のオンオフによる基板９の温度制御は、応答性の点で優れている。

不図示のヒータ制御部によってヒータ２６が制御され、基板９の温度は、第一の工程の温度より高い所定の温度に維持される。この温度は、３００〜４５０℃程度の温度である。この程度の温度に維持しながら、スパッタリングを継続し、堆積した又は堆積しつつあるアルミ膜をリフローさせてり、ホールの内部に埋め込みを行う。尚、この第二の工程では、イオン化手段２７及び電界設定手段２８は動作させてもさせなくてもよい。

このようにして、スパッタチャンバー２にてリフロースパッタリングが行われた後、基板９は反射防止膜作成チャンバー６に搬送される。そして、窒化チタンよりなる反射防止膜が表面に作成される。その後、基板９は、必要に応じて冷却された後、他方のロードロックチャンバー７に搬送される。

さて、上述した動作において、リフロースパッタリングの第一の工程におけるイオン化手段２７及び電界設定手段２８の動作は、以下のような発明者の知見に基づいている。この点を、図４を用いて以下に詳しく説明する。図４は、実施形態の方法及び装置の効果について説明した図である。

まず、上述した第一第二の二段階の工程に分ける構成は、ボイドの無い良質なリフロースパッタリング膜を作成するのに貢献している。即ち、二段階に分けずに最初から高温（例えば５００℃）でスパッタリングを行うと、図４（Ａ）に示すように、ホール９０の内部に融解した薄膜（以下、リフロー薄膜）９１が埋め込まれず、ボイドと呼ばれる空洞９２が生じてしまう。この原因は、リフロー薄膜９１のホール９０の内面に対する濡れ性（親和性）が十分でなく、リフロー薄膜９１がその表面張力によって滞留してしまうからであると考えられる。

一方、上述したように、第一の工程において低い温度で成膜を行うと、堆積する薄膜９３は大きく融解することがなく、ホール９０の内面や周囲に薄く堆積する（以下、この薄膜をベース薄膜９３という）。そして、その後の第二の工程で温度を高くしてリフローさせながら成膜を行うと、リフロー薄膜９１はベース薄膜９３の上に融解するので、濡れ性が高く、上述したボイド９２の発生は無い（図４（Ｂ））。尚、この第一の工程における温度は、アルミ又はアルミ合金の埋め込みの場合、常温から１５０℃程度であることが望ましい。１５０℃を越える温度であると、ベース薄膜９３の途切れが生じ、ボイド９２が発生する原因となる。

上記のように、第一第二の工程に分けて予めベース薄膜９３を作成する構成は、ボイド９２の発生防止に一応効果的ではあるが、このようにしても、第二の工程では基板９を５００℃程度まで加熱することが必要である。もし第二の工程において基板９の温度を３００℃程度にすると、やはりホール９０の内部にボイド９２が発生してしまう（図４（Ｃ））。この原因は、リフロー薄膜９１がベース薄膜９３上を拡散していく速度は温度に依存しており、低い温度では拡散が不十分になるためであると考えられる。

しかしながら、発明者の研究によると、ベース薄膜９３のホール９０内のカバレッジが高くなると、それほど温度を高くしなくてもボイド９２の発生の無い成膜が行えることが判明した。即ち、図４（Ｃ）に示すように、通常のスパッタによってベース薄膜９３を作成すると、ホール９０の側面や底面には、ホール９０の周囲の面に比べて薄くしかベース薄膜９３が堆積しない。一方、上述したように、スパッタ粒子をイオン化させると、ホール９０内にスパッタ粒子が到達し易くなり、ホール９０の側面や底面への膜厚が厚くなる。そして、このようにホール９０内のベース薄膜９３が厚くなると、３００℃程度の比較的低温でも、リフロー薄膜９１の拡散が十分となり、図４（Ｄ）に示すようにボイドの無い埋め込みが可能となる。

このような知見を踏まえ、本実施形態の装置におけるスパッタチャンバー２はイオン化手段２７及び電界設定手段２８を備えており、本実施形態の方法は、第一の工程においてスパッタ粒子をイオン化させて基板９により垂直に入射させるようにしている。尚、リフロースパッタリングの用途としては、前述した埋め込みや層間スルーホールの埋め込みの他、タングステン膜上のＡｌ平坦化等の用途がある。

本願発明の実施形態のリフロースパッタリング装置の概略構成を示す平面図である。図１に示すスパッタチャンバー２の構成を示す正面概略図である。図２に示す基板ホルダー２４の凹部２４０の形状について説明する平面概略図である。実施形態の方法及び装置の効果について説明した図である。従来のリフロースパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。

符号の説明

１搬送チャンバー
１０ゲートバルブ
１１搬送機構
２スパッタチャンバー
２１排気系
２２ターゲット
２３スパッタ電源
２４基板ホルダー
２４０凹部
２４２昇圧用ガス導入系
２４３静電吸着機構
２５プロセスガス導入系
２６ヒータ
３エッチングチャンバー
４プリヒートチャンバー
５バリア膜作成チャンバー
６反射防止膜作成チャンバー
７ロードロックチャンバー
９基板
９０ホール
９１リフロー薄膜
９２ボイド
９３ベース薄膜

Claims

セパレーションチャンバーと、該セパレーションチャンバーの周囲に設けられた複数の処理チャンバーとを有し、前記セパレーションチャンバー内に設けられた搬送機構により、処理対象である基板が前記複数の処理チャンバーに順次送られるリフロースパッタリング装置において、
前記複数の処理チャンバーに、リフロースパッタリングの下地膜としてバリア膜を作成するバリア膜作成チャンバーと、リフロースパッタリングを行うスパッタチャンバーとが含まれており、
前記バリア膜作成チャンバーが、スパッタ電源に接続されたチタン製のターゲットと、スパッタによって前記ターゲットから放出されたスパッタ粒子が到達する位置に基板を載置する基板ホルダーと、該基板ホルダーに載置された前記基板を加熱するヒータと、前記スパッタ粒子をイオン化させるイオン化手段と、前記基板に対して垂直な電界を設定して前記イオン化させたスパッタ粒子を加速して前記基板に垂直に入射させる電界設定手段とを備えており、
前記スパッタチャンバーが、スパッタ電源に接続されたアルミニウム又はアルミニウム合金製のターゲットと、スパッタによって前記ターゲットから放出されたスパッタ粒子が到達する位置に基板を載置する基板ホルダーと、該基板ホルダーに載置された前記基板を加熱するヒータと、前記スパッタ粒子をイオン化させるイオン化手段と、前記基板に対して垂直な電界を設定して前記イオン化させたスパッタ粒子を加速して前記基板に垂直に入射させる電界設定手段とを備えていることを特徴とするリフロースパッタリング装置。
前記スパッタチャンバーにおいて、前記ヒータは、前記基板に形成された微細なホールの側面及び底面に前記アルミニウム又はアルミニウム合金のベース薄膜を作成する第一の工程ではベース薄膜の途切れが防止される低い第一の温度で基板を加熱し、第一の工程の後の第二の工程では、第一の温度より高い第二の温度で基板を加熱してアルミニウム又はアルミニウム合金をさらに堆積させて薄膜をホール内にリフローさせるものであり、前記基板ホルダーは、その基板配置面に形成された凹部に昇圧用ガスを導入する昇圧用ガス導入系と、基板ホルダーに基板を静電気によって吸着する静電吸着機構とを備えており、該静電吸着機構と昇圧用ガス導入系とが、前記第一の工程では動作せず、前記第二の工程でともに動作するものであることを特徴とする請求項１に記載のリフロースパッタリング装置。
請求項１に記載のリフロースパッタリング装置を用い、前記バリア膜作成チャンバーで、微細なホールが形成された前記基板の表面にチタンのバリア膜を形成した後、該バリア膜を形成した前記基板を前記搬送機構により前記スパッタチャンバーに送って基板ホルダーに載置し、
前記スパッタチャンバーにおいて、
スパッタによってアルミニウム又はアルミニウム合金製の前記ターゲットから放出されたスパッタ粒子を、電界設定手段で設定した前記基板に対して垂直な電界で前記基板に垂直に入射させることで、前記ホールの側面及び底面にアルミニウム又はアルミニウム合金のベース薄膜を、該ベース薄膜の途切れが防止される第一の温度下の前記基板に薄く形成する第一の工程と、
前記基板を、前記第一の温度より高い第二の温度までヒータで加熱するとともに、前記イオン化手段及び電界設定手段の動作を継続又は停止して、アルミニウム又はアルミニウム合金の薄膜をさらに堆積させて前記ホール内にリフローさせることで前記ホール内にアルミニウム又はアルミニウム合金を埋め込む第二の工程とを行うことを特徴とするリフロースパッタリング方法。
前記スパッタチャンバーにおいて、前記基板ホルダーは、その基板配置面に形成された凹部に昇圧用ガスを導入する昇圧用ガス導入系と、基板ホルダーに基板を静電気によって吸着する静電吸着機構とを備えており、該静電吸着機構と昇圧用ガス導入系とを、前記第一の工程では動作させず、前記第二の工程でともに動作させることを特徴とする請求項３に記載のリフロースパッタリング方法。