JP2654375B2 - 蒸着方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は蒸着方法に関し、特に高
周波蒸着装置を使用する蒸着方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】蒸着装置は当分野では周知である。米国
特許第３４０１０５５号明細書は、そのような蒸着装置
が半導体集積回路加工技術でどのように使用されるかに
ついて記載している。具体的に云うと、本発明は、はん
だ等の金属を半導体上の複数の小さな領域に同時に付着
する方法を教示する。

【０００３】半導体集積回路チップの密度が高まる（す
なわち、１チップあたり１００万個以上の半導体デバイ
ス密度に近づく）につれて、蒸着膜は一層厳格な基準を
満たさねばならない。具体的に云うと、膜は、１つのウ
ェハ内で、又はウェハ毎に感知し得るほどのばらつきの
ない厚みを有さねばならず、導電率を低下させる酸化物
等の不純物の量を最小限に抑えねばならない。

【０００４】従来の代表的な蒸着装置の構造を図２に示
す。真空室１０は基部１１と、真空源１４に接続された
入口孔１２を有する。基部１１に取り付けられた台１５
上に、蒸着される装入物１９を入れたるつぼ１６が置か
れている。複数の高周波加熱コイル２２がるつぼ１６の
周りにまかれ、適当な高周波発生源１８（３キロワット
の電源等）に接続されている。適当な電源の一つは、米
国ニューヨーク州ロチェスターのＥＮＩ社から販売され
ているＥＮＩ ＰＳ３００である。必要なら回転するこ
とができるホルダ２３が、室１０の上部から下がってい
るロッド２１によって支持され、複数の加工物２４がホ
ルダ２３上に配置されている。各加工物２４は、例え
ば、金属層で被覆すべき予め作成された複数のチップ部
位を有するシリコン等の半導体ウェハである。各ウェハ
は、半導体表面に付着される金属性パターンを明確に描
くフォトレジスト等の保護被覆を有することができる。
別法として、そのような保護被覆なしで、金属材料をウ
ェハに付着することもでき、その場合は、パターンは後
のサブトラクティブ・エッチングで画定される。

【０００５】ステンレス鋼の一枚板から成るシャッタ２
５を、モータ２６によって基板２４とるつぼ１６の間に
選択的に配置することができる。シャッタ２５を左に移
動させて、るつぼ１６からの蒸発物の放出を部分的又は
完全に阻止することができる。蒸発段階の間、蒸発物の
経路は、破線３０で示すように、一般にあたかも蒸発物
が点源から出るようにほぼ円錐形をしている。

【０００６】必要なら、蒸発源は、蒸着室１０の下側の
完全に独立した室に配置することができる。このように
すると、蒸発源を加工物とは独立に加熱することができ
る。このシステムの一例は、バルザース（Balzers）Ｓ
ＣＳ８００分離源ロード・ロック蒸着システムである。
るつぼから蒸発する材料のワイアをるつぼ内に供給し
て、装入物１９が蒸発によって減少したとき自動的に補
給する機構２７が蒸着室１０内に設けられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来技術では、銅等の
蒸気圧の低い金属を付着するとき、最初の加熱及び溶融
段階で、材料中に含まれる不純物がその蒸発中に溶融蒸
発物源から不純物（例えば酸化物）の粒子を放出するこ
とがわかっていた。この「スピッティング」と呼ばれる
現象により、固体、液体、又は半固体の蒸発物と酸化物
大きな粒子が加工物に送られる。材料中にこれらの不純
物粒子が存在すると、大きな球、塊、又はボイド等の異
常が蒸着膜に現れる。これらの異常は膜の導電率を低下
させ、電気的欠陥等を生じさせて、完成品の生産歩留ま
りを下げる。例えば上記米国特許のような蒸着装置及び
技術を使って、蒸気圧の低い材料（例えば、銅）の高品
質な薄膜を均一に形成することは非常に難しい。従っ
て、蒸気圧の低い金属膜を効率的に付着し得る蒸着方法
が必要とされている。

【０００８】さらに、従来技術の蒸発用るつぼは一般
に、その直径に対して比較的深く設計されていた。すな
わち、その深さが一般に直径の少なくとも２倍あった。
その結果、装入物が減少するにつれて、破線３１で示す
ように、蒸発材料の流れが狭くなっていく。蒸着物がこ
のように狭くなるため、中央の加工物２４にはホルダ２
３の周辺にある加工物よりもずっと多量の材料が蓄積さ
れ、付着の均一性を欠くことになる。

【０００９】従って本発明の目的は、高密度の半導体集
積回路チップで必要とされる均一で高品質な蒸着薄膜を
実現することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、高品質で均一
な金属膜を半導体加工物（例えば、ウェハ）上に蒸着す
るための独自の蒸着方法に関するものである。本発明に
よれば、自己分別する（すなわち、酸化物の不純物から
純粋な金属が分離される）温度まで装入物を急速に加熱
し、その後で加工物上に付着させると、付着された膜か
ら酸化物の不純物が排除される。具体的に云うと、基板
及びるつぼの間にシールドを配置し、るつぼの中の装入
物を溶融するには充分であるが、蒸発させるには不十分
な第１の温度まで装入物を加熱するエネルギーをるつぼ
に供給し、第１の温度よりも高い第２の温度まで装入物
を加熱するようエネルギーを増加して、装入物が分留し
てその中に含まれる非金属の不純物が昇華又は蒸発する
のに充分な時間にわたってこのエネルギーを維持し、装
入物の温度が第３の温度になるようエネルギーを変化し
て装入物の金属を蒸発させ、基板とるつぼの間のシール
ドを除去して基板上に金属を蒸着する。本発明の蒸着方
法に適する蒸着源は、るつぼに入れた装入物の量と同じ
又はそれよりも大きい容積を有する高周波結合サセプタ
を含む。さらに、この蒸発源は、朝顔形の縁部を有する
るつぼを取り巻く一対の同軸、カップ状の熱シールドを
含み、るつぼは、熱絶縁体及び非金属性サセプタにより
最も内側の熱シールドの基部から離して支持される。る
つぼの朝顔形の縁部は、熱シールドの露出した縁部に重
なり、それを覆う。この蒸発源を使用することにより、
るつぼ内から蒸発する材料を急速に加熱して自己分別を
促進し、従って均一な厚みの膜をもたらしながら、導電
率を低下させる不純物を、付着した膜から除去すること
ができる。

【００１１】

【実施例】図１に示す蒸発源５０は、図２の支柱１５及
びるつぼ１６の代用となるように設計され、基本的に
は、外部熱シールド５３を支持する基部１１上の熱絶縁
柱又はスペーサ５２を含む。外部熱シールド５３内に
は、内部熱シールド５５を支持し、且つ外部熱シールド
５３から熱的に絶縁する第２の熱絶縁スペーサ５４が含
まれる。内部熱シールド５５内には第３の熱絶縁スペー
サ５６が位置され、その上に、るつぼ５８を支持するサ
セプタ５７が配置されている。このるつぼは朝顔形の縁
部５９を備え、縁部５９はるつぼの内縁部から２つの熱
シールド５３及び５５の縁部、すなわち上端の上方へと
延びている。高周波加熱の分野では周知のように、電源
に合致した多数の高周波コイル２２が上記構造を取り巻
いている。

【００１２】図１に示すように、さらに、外部熱シール
ド５３に結合された外部ケーシング６０が、コイル２２
を取り囲んで設けられている。ケーシング６０は、蒸発
した材料がコイル２２、外部熱シールド５３、又は熱絶
縁柱５２に付着するのを防止する。このケーシングは必
ずしも使用する必要がなく、取り除くこともできるが、
コイルの寿命を延ばすのに役立ち、蒸着作業の度にその
後で柱及び外部熱シールドを洗浄する必要がなくなるた
め、非常に望ましい。

【００１３】稼働時には、高周波電源１８が活動化され
ると、コイル２２は高周波エネルギーを放出する。この
高周波エネルギーはコイル２２の内側に集中し、コイル
２２に隣接する材料に吸収される。この材料は、放出周
波数によってその中に渦電流が発生するために加熱し始
める。

【００１４】装入物を自己分別し、比較的短時間で蒸発
する制御された温度まで加熱する必要があり、また、そ
れを可能な最少のエネルギー消費で行うことが望ましい
ので、最大量のエネルギーを吸収してそれを熱に変換
し、輻射及び伝導によってるつぼ５８内の装入物材料１
９に熱を伝えるように、サセプタ５７とるつぼ５８の形
状及び構造を選択する必要がある。蒸発源５０のその他
の構成要素は、この高周波吸収が最小になり、従ってそ
れらが加熱されるレベルが最小になるように選択する。

【００１５】サセプタ５７は、直径約２８ｍｍ、高さ約
１３ｍｍのグラファイト・カーボンの中実の柱状ブロッ
クから成る。るつぼ５８は直径約３０ｍｍ、深さ約１７
ｍｍであり、蒸着される材料（例えば、銅）よりも蒸気
圧が低い材料（例えば、モリブデン）から成る。るつぼ
は、部分的に満たされる（すなわち、るつぼ内の材料は
高さ８ｍｍのプールを形成する）ように、約３０グラム
の材料を充填する。本発明者は、付着される装入物の最
初の体積がサセプタ５７の体積と同じ大きさ（例えば、
深さ１６ｍｍ）のとき、装入物は完全に自己分別するこ
とができることを発見した。装入物の量が減少するに従
って（すなわち、装入物とサセプタの体積比が小さくな
るに従って）、自己分別効率は増大する。一方、装入物
のサイズ又は体積を増大させるか、サセプタを小さくす
るか、又は両方の組み合わせにより、装入物とサセプタ
の体積比を増大させた場合、この自己分別過程はあまり
効率的ではなくなる。装入物とサセプタの日が非常に高
い場合、付着された膜の特性を改善するのに充分な程度
の自己分別は起こらない。

【００１６】サセプタ５７は、比較的大きな塊であり、
かつ高周波による加熱を非常に受け入れやすく、るつぼ
５８に入れた装入物１９が溶融し、蒸発するのに必要な
所期のレベルまで装入物１９が加熱される。そのような
サセプタは、装入物が高周波エネルギーをあまり吸収し
ない蒸気圧の低い材料（例えば、銅又は金）であると
き、特に必要とされる。

【００１７】考察中の装置が載置される基部１１は通常
金属製であり、比較的大きい。従って、基部１１は放熱
性が大きい（すなわち、吸熱器として働く）。るつぼの
中味を急速に加熱する必要があるので、外径約３８ｍ
ｍ、高さ約３４ｍｍ、内径約３２ｍｍの中空柱状の石英
熱絶縁体５２が、基部１１から外部熱シールド５３を支
持するために設けられている。この外部熱シールド５３
は高密度シリカで形成されたカップであり、壁厚約３ｍ
ｍ、外径約４２ｍｍ、高さ約４４ｍｍである。同様に、
やはり直径約３３ｍｍ、高さ約５ｍｍ、幅約１．５ｍｍ
のリング状の石英スペーサ５４がカップ状の外部シール
ド５３の底部に設けられ、内部熱シールド５５を支持
し、外部熱シールド５３から熱的に絶縁する。この内部
熱シールドは熱分解窒化ホウ素から形成され、外径約３
４ｍｍ、高さ約３９ｍｍ、壁厚約１．５ｍｍである。石
英及び熱分解窒化ホウ素は、コイル２２から放出される
高周波に対して透過性であり、従って非常にゆっくり加
熱されるので、熱絶縁体及び内部熱シールドの大部分に
使用される。同様な特性を有するその他の材料を使用し
てもよい。さらに、それらの材料は、システム内に汚染
材料をもたらさないように、非常に純粋な形に作ること
ができる。

【００１８】外部熱シールド５３は、石英よりも熱特性
が優れたシリカで形成される。内部シールド５５は熱分
解窒化ホウ素から形成される。熱分解窒化ホウ素は、赤
外線がサセプタ又はるつぼから放出されるのを防ぐの
で、内部熱シールドとして使用される。このようにし
て、内部シールドは、外部シールド５３を赤外線から遮
蔽しながら、熱をそれ自体の内部に、すなわち、るつぼ
領域及びサセプタ領域内に保持する働きをする。

【００１９】直径約２４ｍｍ、高さ約１３ｍｍ、厚み約
１．５ｍｍの窒化ホウ素の支持リング５６が内部熱シー
ルド５５内に配置されて炭素サセプタ５７を支持し、サ
セプタ５７はるつぼ５８を支持する。熱分解窒化ホウ素
は、優れた熱絶縁体であるだけでなく、最高の純度で形
成され、蒸発源が稼働する高い温度でサセプタ５７の炭
素と相互作用しないために、支持リング５６に使用され
る。

【００２０】るつぼ５８は外側に向かって広がった朝顔
形の縁部５９を有している。この縁部５９はシールド５
３及び５５の上部の露出した端部を保護し、るつぼ内か
ら蒸発した材料が熱シールド５５の内端に付着するのを
防止する。さらに、るつぼの深さがその直径よりも小さ
くなっている。深さと直径の比を、深さが直径の２倍よ
り大きくなるまで増大させた場合、上記の均一性の問題
が生じる。

【００２１】図３は、上述の蒸発源を用いた本発明の蒸
着方法における自己分別及び付着過程に関連した高周波
電力曲線（実線６１）及び温度曲線（点線６２）を示し
ている。３キロワットの高周波電源を使用し、３０グラ
ムの銅の装入物をるつぼ内に配置した。サイクルの始め
に、加工物を真空室内に置き、真空室を排気する。次
に、電力曲線の６３と記した部分で示されるように、４
５０ワットの高周波電力をコイルに印加する。サセプタ
５７は加熱し始め、この熱を輻射及び伝導作用によって
るつぼ内の装入物に伝達し、装入物は蒸発をほとんど又
は全く伴わずに溶融し始める。温度曲線の６３Ａと記し
た部分で示されるように、装入物の温度が１２００℃で
安定するまで、この電力レベルを維持する。この時間の
間、加工物を望ましくない蒸着又は汚染から保護するた
め、シャッタ２６を定位置から左に移動させる。

【００２２】加工物を被覆するときは、高周波電力を２
キロワットと２．１キロワットの間に上げ、その値に約
１３５秒間保持する。これは、電力曲線の６４と記した
部分で示される。続いて、電力レベルを７８０ワットに
下げる（部分６６）。この時間の間、装入物１９の温度
は上がり、装入物１９の自己分別、すなわち分留が起こ
る。この分留が始まると、装入物内の汚染材料（酸化物
等）は溶融物の表面に付着して、スラグ状の表面層を形
成する。高周波電力を高めると、装入物の温度も上が
り、溶融した装入物の液体表面上に集まった汚染材料
が、装入物中で使用される材料とその酸化物及び他の汚
染物のそれぞれの蒸気圧によって決まる制限のために昇
華、又は蒸発するまで、分別蒸留が続く、不純物はるつ
ぼの縁部に移り、るつぼの側面を引き上げられる。銅で
は、高い蒸気圧の銅の蒸発物が生成し、この蒸発物が汚
染材料等をるつぼの側壁（溶融した装入物よりもわずか
に温度が高い）の方に押しやるので、この現象が起こ
る。この分別過程が完了すると、るつぼの温度は１９０
０℃の最高値に達する（曲線６２上の番号６５）。次
に、曲線６１上の番号６６で示される７８０ワットの電
力レベルまで高周波電力を下げる。この電力レベルは、
加工物２４がるつぼ５８から約７０ｍｍ離れていると
き、加工物の表面への装入物の毎秒４オングストローム
という所期の付着速度に対応する。

【００２３】高周波電力を下げてから４５秒後に、装入
物１９の温度が、曲線６２上の番号６７で示されるよう
に、約１５１０℃で安定したとき、蒸発物シールド又は
シャッタ２４を加工物の前から引っ込めて、蒸発物で加
工物を被覆させる。この電力レベルをさらに１５０秒間
維持し、１５０秒後にシャッタ２４を加工物の前に置
き、加工物にそれ以上付着するのを防止する。シャッタ
２４を閉じると同時に、電力レベルを、参照番号６８に
より示されるように、１０００ワットに上げ、９０秒間
このレベルに維持する。そうすると、曲線６２上の番号
６９で示されるように、装入物１９の温度がわずかに上
昇する。シャッタを閉じ、電力レベルをあげてから２４
秒後に、ワイヤ供給機構２７からワイヤをるつぼ内に供
給し、るつぼ内の装入物を補給する。ワイヤが溶融して
装入物を補給すると、曲線６２上の番号７０で示される
ように、装入物の温度が低下する。

【００２４】９０秒経った後、電力を再び４５０ワット
の待機電力レベルまで下げると、装入物の温度は１２０
０℃まで下がり続け、この温度で再び安定する。

【００２５】上述のように、蒸着装置のすべてをコイル
２２内に支持することにより、るつぼ５８は熱的に制御
された状態で加熱され、自己分別をもたらす。この自己
分別現象により、銅又は高純度の材料を蒸発源として使
用する必要性がなくなる。装入物の自己分別は、装入物
の補給中に大量の不純物が導入される場合、特に重要で
ある。

【００２６】

【発明の効果】上述のような本発明の方法を使用するこ
とにより、ボイドや介在物を含まず、非金属の汚染材料
が０．００１重量％よりも少ない銅の膜が、半導体ウェ
ハ上にうまく付着された。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法で使用するるつぼの断面図。

【図２】従来の蒸着装置の概略断面図。

【図３】本発明の時間経過グラフを示す。

【符号の説明】

１１ 基部 １８ 高周波電源 １９ 装入物 ２２ コイル ２４ 加工物 ２５ シャッタ ２６ モータ ５０ 蒸発源 ５３ 外部熱シールド ５５ 内部熱シールド ５７ サセプタ ５８ るつぼ ６０ ケーシング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デヴイド・クレイグ・ストリーペ アメリカ合衆国ヴァーモント州ウオータ ーバリイ、スプルーズ・グローヴ・エス タテス番地なし (56)参考文献 特開 平４−99266（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に金属の層を蒸着する方法であっ
   て、 蒸気圧が前記金属の蒸気圧よりも低い材料で構成された
   るつぼの中に前記金属の装入物を載置し、 前記基板及び前記るつぼの間にシールドを配置し、 前記るつぼの中の装入物を溶融するには充分であるが前
   記装入物を蒸発させるには不十分な第１の温度まで前記
   装入物を加熱するエネルギーを前記るつぼに供給し、 前記第１の温度よりも高い第２の温度まで前記装入物を
   加熱するよう前記エネルギーを増加して、前記装入物が
   分留してその中に含まれる非金属の不純物が昇華又は蒸
   発するのに充分な時間にわたって前記エネルギーを維持
   し、 前記装入物の温度が第３の温度になるよう前記エネルギ
   ーを変化して前記装入物の金属を蒸発させ、 前記基板と前記るつぼの間のシールドを除去して前記基
   板上に前記金属を蒸着する、 蒸着方法。
2. 【請求項２】前記第１の温度が約１２００℃であり、前
   記第２の温度が約１９００℃であり、前記第３の温度が
   約１５００℃である、請求項１に記載の蒸着方法。