JP3169151B2 - 薄膜形成装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、例えば半導体製造工
程における薄膜形成装置に係り、特にアスペクト比の大
きな細溝または細孔（以下コンタクトホールと称す）を
有する基板に拡散バリア膜等の薄膜を形成する場合の、
細溝または細孔の底面および側面に対するカバレージ性
の改良に関するものである。
程における薄膜形成装置に係り、特にアスペクト比の大
きな細溝または細孔（以下コンタクトホールと称す）を
有する基板に拡散バリア膜等の薄膜を形成する場合の、
細溝または細孔の底面および側面に対するカバレージ性
の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ＬＳＩ等の半導体デバイスにおいては、
素子の高集積化により、成膜構造が微細化している。特
にコンタクトホールやスルーホールの寸法としては、穴
の深さと直径の比（アスペクト比、ＡＲ）で１以上と大
きな値のものが採用されつつある。
素子の高集積化により、成膜構造が微細化している。特
にコンタクトホールやスルーホールの寸法としては、穴
の深さと直径の比（アスペクト比、ＡＲ）で１以上と大
きな値のものが採用されつつある。
【０００３】図１３は例えば特開平４−６４２２２号公
報に示された従来のスパッタ法による薄膜形成装置の構
成を示す断面図である。図において、１は真空槽、２は
この真空槽１の底部に形成される排気通路で、高真空排
気ポンプ（図示せず）に接続されている。３は拡散バリ
ア膜の形成時には高純度チタン（Ｔｉ）、配線膜の形成
時には高純度アルミニウム（Ａｌ）、またはアルミニウ
ムを主体とした合金等でなる成膜材料で、真空槽１に絶
縁支持部材４を介して配設されるとともに水冷されたホ
ルダ５に支持されている。６は加熱ヒータ７が内蔵され
る基板保持台８上に載置された基板で、成膜材料３との
寸法関係は、例えば基板６の直径が２００ｍｍのものを
用いる場合、成膜材料３の直径は２５０ｍｍないし３０
０ｍｍ程度のものというように、成膜材料３の方が基板
６より大きな寸法のものが用いられる。
報に示された従来のスパッタ法による薄膜形成装置の構
成を示す断面図である。図において、１は真空槽、２は
この真空槽１の底部に形成される排気通路で、高真空排
気ポンプ（図示せず）に接続されている。３は拡散バリ
ア膜の形成時には高純度チタン（Ｔｉ）、配線膜の形成
時には高純度アルミニウム（Ａｌ）、またはアルミニウ
ムを主体とした合金等でなる成膜材料で、真空槽１に絶
縁支持部材４を介して配設されるとともに水冷されたホ
ルダ５に支持されている。６は加熱ヒータ７が内蔵され
る基板保持台８上に載置された基板で、成膜材料３との
寸法関係は、例えば基板６の直径が２００ｍｍのものを
用いる場合、成膜材料３の直径は２５０ｍｍないし３０
０ｍｍ程度のものというように、成膜材料３の方が基板
６より大きな寸法のものが用いられる。
【０００４】９はホルダ５に接続されるスパッタ用電
源、１０は成膜材料３と基板６との間に形成されるグロ
ー放電で、ガス導入バルブ１１から導入される高純度ア
ルゴン（Ａｒ）ガスにより放電は維持され、拡散バリア
膜として窒化チタン（ＴｉＮ）を形成する場合には、高
純度アルゴンと高純度窒素の混合ガスが導入される。１
２はグロー放電１０の発生位置を限定し、真空槽１等へ
の異常放電を防止するシールドである。
源、１０は成膜材料３と基板６との間に形成されるグロ
ー放電で、ガス導入バルブ１１から導入される高純度ア
ルゴン（Ａｒ）ガスにより放電は維持され、拡散バリア
膜として窒化チタン（ＴｉＮ）を形成する場合には、高
純度アルゴンと高純度窒素の混合ガスが導入される。１
２はグロー放電１０の発生位置を限定し、真空槽１等へ
の異常放電を防止するシールドである。
【０００５】次に上記のように構成された従来装置を用
いた成膜方法について説明する。薄膜を形成する基板６
を基板保持台８上に取り付け、高真空排気ポンプを用い
て真空槽１の内部を１０-4Ｐａ台の圧力まで真空排気す
る。次いで、真空槽１内の圧力が０．１Ｐａとなるまで
ガス導入バルブ１１を調節して高純度アルゴンガスを導
入しておく。そしてスパッタ用電源９を動作させ、成膜
材料３と基板６との間にグロー放電１０を発生させる
と、放電空間中のアルゴンイオンが成膜材料３をスパッ
タして成膜材料３の粒子３ａをたたき出す。これらの成
膜材料３の粒子３ａが基板６に付着して薄膜が形成され
る。このようなスパッタ法では成膜材料３と基板６との
距離は約１０ｃｍ、薄膜形成時の圧力が０．６Ｐａ程度
であり、成膜材料粒子３ａの平均自由工程（λ）として
は１ｃｍ程度となる。したがって、配線材料粒子３ａの
平均自由工程（λ）と成膜材料３・基板６の距離（Ｈ）
との比で求められるクヌーセン数Ｋn（＝λ／Ｈ）は
０．１であり、成膜材料３からの成膜材料の粒子３ａは
放電用ガスや残留ガスに散乱されながら基板６に到達す
る。
いた成膜方法について説明する。薄膜を形成する基板６
を基板保持台８上に取り付け、高真空排気ポンプを用い
て真空槽１の内部を１０-4Ｐａ台の圧力まで真空排気す
る。次いで、真空槽１内の圧力が０．１Ｐａとなるまで
ガス導入バルブ１１を調節して高純度アルゴンガスを導
入しておく。そしてスパッタ用電源９を動作させ、成膜
材料３と基板６との間にグロー放電１０を発生させる
と、放電空間中のアルゴンイオンが成膜材料３をスパッ
タして成膜材料３の粒子３ａをたたき出す。これらの成
膜材料３の粒子３ａが基板６に付着して薄膜が形成され
る。このようなスパッタ法では成膜材料３と基板６との
距離は約１０ｃｍ、薄膜形成時の圧力が０．６Ｐａ程度
であり、成膜材料粒子３ａの平均自由工程（λ）として
は１ｃｍ程度となる。したがって、配線材料粒子３ａの
平均自由工程（λ）と成膜材料３・基板６の距離（Ｈ）
との比で求められるクヌーセン数Ｋn（＝λ／Ｈ）は
０．１であり、成膜材料３からの成膜材料の粒子３ａは
放電用ガスや残留ガスに散乱されながら基板６に到達す
る。
【０００６】以上のようにしてなされるスパッタ法を用
いてコンタクトホールに多層配線膜を形成する方法を図
１４に基づいて説明する。まず、図１４（Ａ）におい
て、６はシリコン等の基板、１２は拡散層、１３は例え
ばＣＶＤ法により形成された厚さ１μｍの二酸化シリコ
ン（ＳｉＯ2）からなる絶縁膜で、直径約０．６μｍ、
深さ１μｍ、アスペクト比１．７のコンタクトホール１
３ａが開口されている。まず第１の工程として、成膜材
料３として高純度チタンを使用し、アルゴンと窒素を
１：１に混合した放電ガスを用いて成膜材料３をスパッ
タする反応性スパッタ法により図１４（Ｂ）に示すよう
に窒化チタンの拡散バリア膜１４を形成する。次に第２
の工程として、成膜材料３としてアルミニウム−シリコ
ン−銅合金を用い、放電ガスとしてアルゴンを真空槽１
内に導入して基板温度を室温に設定して成膜材料３をス
パッタし図１４（Ｃ）に示すように第１の配線膜１５を
形成する。次に第３の工程として基板温度を５００度ま
で急速に加熱しながらアルミニウム合金の成膜材料３を
スパッタすることで図１４（Ｄ）に示すようにコンタク
トホール１３ａに配線材料を穴埋めした第２の配線膜１
６が形成される。
いてコンタクトホールに多層配線膜を形成する方法を図
１４に基づいて説明する。まず、図１４（Ａ）におい
て、６はシリコン等の基板、１２は拡散層、１３は例え
ばＣＶＤ法により形成された厚さ１μｍの二酸化シリコ
ン（ＳｉＯ2）からなる絶縁膜で、直径約０．６μｍ、
深さ１μｍ、アスペクト比１．７のコンタクトホール１
３ａが開口されている。まず第１の工程として、成膜材
料３として高純度チタンを使用し、アルゴンと窒素を
１：１に混合した放電ガスを用いて成膜材料３をスパッ
タする反応性スパッタ法により図１４（Ｂ）に示すよう
に窒化チタンの拡散バリア膜１４を形成する。次に第２
の工程として、成膜材料３としてアルミニウム−シリコ
ン−銅合金を用い、放電ガスとしてアルゴンを真空槽１
内に導入して基板温度を室温に設定して成膜材料３をス
パッタし図１４（Ｃ）に示すように第１の配線膜１５を
形成する。次に第３の工程として基板温度を５００度ま
で急速に加熱しながらアルミニウム合金の成膜材料３を
スパッタすることで図１４（Ｄ）に示すようにコンタク
トホール１３ａに配線材料を穴埋めした第２の配線膜１
６が形成される。
【０００７】上記のようにしてなされるスパッタ法で
は、成膜材料の粒子が放電ガスと衝突するため粒子の直
進性が小さく、又、基板上での成膜材料粒子の入射角度
分布は余弦法則に従うことが知られている。すなわち、
スパッタ法では基板に斜め入射する配線材料が多く、コ
ンタクトホールの底部に達する配線材料は少なく、アス
ペクト比が２以上のコンタクトホールでは、拡散バリア
膜や配線膜をカバレージ性良く形成することが困難であ
り、又、一般的には配線材料の粒子の直進性が良いとさ
れる、例えば特開平２−２７１６３４号公報等に示され
る配線膜形成装置のように蒸着法を用いる場合にも、上
記同様にシャドウイング効果等により、コンタクトホー
ルの底面にまでカバレージ性良く拡散バリア膜や配線膜
を形成することは困難である。
は、成膜材料の粒子が放電ガスと衝突するため粒子の直
進性が小さく、又、基板上での成膜材料粒子の入射角度
分布は余弦法則に従うことが知られている。すなわち、
スパッタ法では基板に斜め入射する配線材料が多く、コ
ンタクトホールの底部に達する配線材料は少なく、アス
ペクト比が２以上のコンタクトホールでは、拡散バリア
膜や配線膜をカバレージ性良く形成することが困難であ
り、又、一般的には配線材料の粒子の直進性が良いとさ
れる、例えば特開平２−２７１６３４号公報等に示され
る配線膜形成装置のように蒸着法を用いる場合にも、上
記同様にシャドウイング効果等により、コンタクトホー
ルの底面にまでカバレージ性良く拡散バリア膜や配線膜
を形成することは困難である。
【０００８】このため、基板を加熱して配線材料を流動
しやすくしてコンタクトホールに流し込むことが検討さ
れている。例えば配線材料としてアルミニウム合金を用
いる場合については、基板を４００度ないし５００度ま
で加熱昇温しながらスパッタし、コンタクトホールの内
部に配線材料を流し込むことによって、カバレージ性の
改善を図っている。
しやすくしてコンタクトホールに流し込むことが検討さ
れている。例えば配線材料としてアルミニウム合金を用
いる場合については、基板を４００度ないし５００度ま
で加熱昇温しながらスパッタし、コンタクトホールの内
部に配線材料を流し込むことによって、カバレージ性の
改善を図っている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従来の薄膜形成装置は
以上のように構成され成膜が成されているので、成膜中
あるいは成膜後に基板を加熱して、配線膜や拡散バリア
薄膜のカバレージ性を改善する方法が適用できるのは、
融点が比較的低い成膜材料に限られる。したがって、シ
リコン基板を用いるＬＳＩ製造プロセスの加熱温度には
制限があるため、拡散バリア性の大きな窒化チタン等の
高融点材料が適用される拡散バリア薄膜の形成には適用
不可能であり、集積回路における微細化と高集積化の進
展に伴いアスペクト比の増大されたコンタクトホールに
対して、良好なカバレージ性を有する拡散バリア薄膜を
形成することは困難であるという問題点があった。
以上のように構成され成膜が成されているので、成膜中
あるいは成膜後に基板を加熱して、配線膜や拡散バリア
薄膜のカバレージ性を改善する方法が適用できるのは、
融点が比較的低い成膜材料に限られる。したがって、シ
リコン基板を用いるＬＳＩ製造プロセスの加熱温度には
制限があるため、拡散バリア性の大きな窒化チタン等の
高融点材料が適用される拡散バリア薄膜の形成には適用
不可能であり、集積回路における微細化と高集積化の進
展に伴いアスペクト比の増大されたコンタクトホールに
対して、良好なカバレージ性を有する拡散バリア薄膜を
形成することは困難であるという問題点があった。
【００１０】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、基板に設けられたアスペクト比
の大きな細溝または細孔の底面および側面に対して、良
好なカバレージ性を有する拡散バリア膜等の薄膜を形成
することができる薄膜形成装置を提供することを目的と
するものである。
ためになされたもので、基板に設けられたアスペクト比
の大きな細溝または細孔の底面および側面に対して、良
好なカバレージ性を有する拡散バリア膜等の薄膜を形成
することができる薄膜形成装置を提供することを目的と
するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】この発明に係る請求項１
の薄膜形成装置は、粒子発生源が基体までの間の距離Ｈ
を同じにした２台の点蒸発源である場合には基体を回転
させ且つ基体の中心軸から各点蒸発源までの各偏心距離
Ｌ 1a 、Ｌ 1b を、基体の半径をＲとしたとき、 Ｒ−Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 1a ≦Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 1b ≦Ｈ／(２×ＡＲ)＋Ｌ 1a に設定し、又、粒子発生源が距離Ｈを同じにした２台の
環状蒸発源である場合には環状蒸発源の各半径Ｌ 2a 、Ｌ
2b を、 Ｒ−Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 2a ≦Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 2b ≦Ｈ／(２×ＡＲ)＋Ｌ 2a に設定して成膜を行うようにしたものである。
の薄膜形成装置は、粒子発生源が基体までの間の距離Ｈ
を同じにした２台の点蒸発源である場合には基体を回転
させ且つ基体の中心軸から各点蒸発源までの各偏心距離
Ｌ 1a 、Ｌ 1b を、基体の半径をＲとしたとき、 Ｒ−Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 1a ≦Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 1b ≦Ｈ／(２×ＡＲ)＋Ｌ 1a に設定し、又、粒子発生源が距離Ｈを同じにした２台の
環状蒸発源である場合には環状蒸発源の各半径Ｌ 2a 、Ｌ
2b を、 Ｒ−Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 2a ≦Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 2b ≦Ｈ／(２×ＡＲ)＋Ｌ 2a に設定して成膜を行うようにしたものである。
【００１２】この発明に係る請求項２の薄膜形成装置
は、成膜材料のスパッタ領域の直径を基体の直径のほぼ
１／１０以下にするとともにスパッタ領域が基体の直下
になるように成膜材料を配設し且つ成膜材料粒子の基体
上への入射角度を細溝または細孔の側面のテーパ角度以
下となるように設定して成膜を行うようにしたものであ
る。
は、成膜材料のスパッタ領域の直径を基体の直径のほぼ
１／１０以下にするとともにスパッタ領域が基体の直下
になるように成膜材料を配設し且つ成膜材料粒子の基体
上への入射角度を細溝または細孔の側面のテーパ角度以
下となるように設定して成膜を行うようにしたものであ
る。
【００１３】この発明に係る請求項３の薄膜形成装置
は、細溝または細孔の深さｈと細溝の幅または細孔の直
径ｄｕとの比で求められる最大アスペクト比をＡＲ（ｈ
／ｄｕ）とするとき、成膜材料を環状にスパッタし且つ
環状のスパッタ領域の半径Ｌ 3 をほぼＨ／（２×ＡＲ）
に設定して成膜を行うようにしたものである。
は、細溝または細孔の深さｈと細溝の幅または細孔の直
径ｄｕとの比で求められる最大アスペクト比をＡＲ（ｈ
／ｄｕ）とするとき、成膜材料を環状にスパッタし且つ
環状のスパッタ領域の半径Ｌ 3 をほぼＨ／（２×ＡＲ）
に設定して成膜を行うようにしたものである。
【００１４】この発明に係る請求項４の薄膜形成装置
は、成膜材料のスパッタ領域が基体までの間の距離Ｈを
同じにした２個所に設定されている場合には成膜材料の
各スパッタ領域の各半径Ｌ 1a 、Ｌ 1b を、基体の半径をＲ
としたとき、 Ｒ−Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 1a ≦Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 1b ≦Ｈ／(２×ＡＲ)＋Ｌ 1a に設定し成膜を行うようにしたものである。
は、成膜材料のスパッタ領域が基体までの間の距離Ｈを
同じにした２個所に設定されている場合には成膜材料の
各スパッタ領域の各半径Ｌ 1a 、Ｌ 1b を、基体の半径をＲ
としたとき、 Ｒ−Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 1a ≦Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 1b ≦Ｈ／(２×ＡＲ)＋Ｌ 1a に設定し成膜を行うようにしたものである。
【００１５】この発明に係る請求項５の薄膜形成装置
は、真空雰囲気中にガスを導入し且つガスの圧力を、蒸
気ビーム中の蒸発材料粒子の平均自由行程λと、粒子発
生源と基体との間の距離Ｈとの比で求められるクヌーセ
ン数Ｋ n （λ／Ｈ）がほぼ１になるように所定時間保持
するとともに、所定時間経過後ガスの圧力をクヌーセン
数Ｋ n がほぼ０．１になるように上昇させて成膜を行う
ようにしたものである。
は、真空雰囲気中にガスを導入し且つガスの圧力を、蒸
気ビーム中の蒸発材料粒子の平均自由行程λと、粒子発
生源と基体との間の距離Ｈとの比で求められるクヌーセ
ン数Ｋ n （λ／Ｈ）がほぼ１になるように所定時間保持
するとともに、所定時間経過後ガスの圧力をクヌーセン
数Ｋ n がほぼ０．１になるように上昇させて成膜を行う
ようにしたものである。
【００１６】
【作用】この発明における薄膜形成装置は、細溝または
細孔の底面を成膜材料粒子が照射可能な位置に点粒子発
生源、あるいは環状粒子発生源を設置することにより、
基体の細溝または細孔の底面および側面にカバレージ性
良好に薄膜を形成する。
細孔の底面を成膜材料粒子が照射可能な位置に点粒子発
生源、あるいは環状粒子発生源を設置することにより、
基体の細溝または細孔の底面および側面にカバレージ性
良好に薄膜を形成する。
【００１７】
【実施例】まず、この発明における薄膜形成装置により
コンタクトホール底面に薄膜を形成する方法の原理につ
いて述べる。この発明における薄膜形成装置によるコン
タクトホール底面への薄膜形成方法は、蒸発源の形状と
して点蒸発源あるいは環状蒸発源を用い、蒸発材料粒子
の平均自由工程（λ）と蒸発源と基板の距離（Ｈ）の比
で求められるクヌーセン数Ｋn（＝λ／Ｈ）が０．１以
上となる条件で成膜を行うものである。
コンタクトホール底面に薄膜を形成する方法の原理につ
いて述べる。この発明における薄膜形成装置によるコン
タクトホール底面への薄膜形成方法は、蒸発源の形状と
して点蒸発源あるいは環状蒸発源を用い、蒸発材料粒子
の平均自由工程（λ）と蒸発源と基板の距離（Ｈ）の比
で求められるクヌーセン数Ｋn（＝λ／Ｈ）が０．１以
上となる条件で成膜を行うものである。
【００１８】このような条件で蒸発源と基板の位置関係
を種々変えた場合のコンタクトホール底面に成膜される
薄膜の膜厚プロファイルを計算により検討し、良好なカ
バレージが得られる条件を見いだした。図１（Ａ）に示
すように、コンタクトホールの基板中心からの距離を
ｒ、蒸発源と基板の距離をＨ、基板中心軸から蒸発源ま
での偏心距離をＬとし、コンタクトホール底面の半径方
向をｘ、周方向をｙとする。そして、コンタクトホール
各部の寸法については、図１（Ｂ）に示すように深さを
ｈ、上部の直径をｄu、下部の直径をｄbとする。ここで
は、アスペクト比ＡＲはｈ／ｄuで定義する。なお、基
板を回転させながらＬなる距離だけ偏心させた位置に点
蒸発源を配置して成膜することは、基板を回転させずに
半径がＬの環状蒸発源を用いて成膜することと幾何学的
には等価である。まず、半径がＬの環状の蒸発源を使用
する場合、コンタクトホール底面におけるコンタクトホ
ール上部の中心の軌跡は、次の式（１）で表されるよう
な円となる。 （ｘ−２×ＡＲ・ｒ／Ｈ）2＋ｙ2＝（２×ＡＲ・Ｌ／Ｈ）2・・・・（１）
を種々変えた場合のコンタクトホール底面に成膜される
薄膜の膜厚プロファイルを計算により検討し、良好なカ
バレージが得られる条件を見いだした。図１（Ａ）に示
すように、コンタクトホールの基板中心からの距離を
ｒ、蒸発源と基板の距離をＨ、基板中心軸から蒸発源ま
での偏心距離をＬとし、コンタクトホール底面の半径方
向をｘ、周方向をｙとする。そして、コンタクトホール
各部の寸法については、図１（Ｂ）に示すように深さを
ｈ、上部の直径をｄu、下部の直径をｄbとする。ここで
は、アスペクト比ＡＲはｈ／ｄuで定義する。なお、基
板を回転させながらＬなる距離だけ偏心させた位置に点
蒸発源を配置して成膜することは、基板を回転させずに
半径がＬの環状蒸発源を用いて成膜することと幾何学的
には等価である。まず、半径がＬの環状の蒸発源を使用
する場合、コンタクトホール底面におけるコンタクトホ
ール上部の中心の軌跡は、次の式（１）で表されるよう
な円となる。 （ｘ−２×ＡＲ・ｒ／Ｈ）2＋ｙ2＝（２×ＡＲ・Ｌ／Ｈ）2・・・・（１）
【００１９】そして、コンタクトホール底面での膜厚プ
ロファイルは、この軌跡上を中心としてコンタクトホー
ル上部を通過した円形の成膜領域を重ね合わせることで
計算できる。軌跡円の中心のｘ座標は２×ＡＲ・ｒ／Ｈ
でありコンタクトホールの基板中心からの距離ｒに比例
し、軌跡円の半径は２×ＡＲ・Ｌ／Ｈである。膜厚プロ
ファイルは、これらに応じて変化する。具体的な膜厚プ
ロファイルの変化を図２に基づいて説明する。図２は基
板の中央部（ｒ＝０）におけるコンタクトホール底部の
膜厚分布を横軸に上部の半径を１単位としてコンタクト
ホール底部中心からの距離を、また縦軸に基板平坦部の
膜厚を１単位として示している。
ロファイルは、この軌跡上を中心としてコンタクトホー
ル上部を通過した円形の成膜領域を重ね合わせることで
計算できる。軌跡円の中心のｘ座標は２×ＡＲ・ｒ／Ｈ
でありコンタクトホールの基板中心からの距離ｒに比例
し、軌跡円の半径は２×ＡＲ・Ｌ／Ｈである。膜厚プロ
ファイルは、これらに応じて変化する。具体的な膜厚プ
ロファイルの変化を図２に基づいて説明する。図２は基
板の中央部（ｒ＝０）におけるコンタクトホール底部の
膜厚分布を横軸に上部の半径を１単位としてコンタクト
ホール底部中心からの距離を、また縦軸に基板平坦部の
膜厚を１単位として示している。
【００２０】今、蒸発源と基板の距離Ｈ、基板中心軸か
ら蒸発源までの偏心距離Ｌおよびアスペクト比ＡＲの関
係が、次の式（２）で表されるような範囲に設定されて
いる場合、 Ｌ≦Ｈ／（２×ＡＲ）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２） 膜厚プロファイルは図２（Ａ）に示すように、中央が基
板の平坦部と同じ膜厚となりその両側に裾を引く富士山
状の分布となる。形成する薄膜が拡散バリア薄膜の場合
は、膜厚がコンタクトホールの高さｈにくらべて小さい
ので、薄膜が堆積してもコンタクトホールのアスペクト
比がほとんど変化しない。すなわち、コンタクトホール
底面の膜厚プロファイルは、基板と蒸発源の位置関係と
コンタクトホールのアスペクト比にのみ依存する。膜厚
プロファイルの基板中心からの距離ｒに対する依存性を
図３に示す。図から明らかなようにｒに比例して膜厚プ
ロファイルの中心とコンタクトホール中心の距離が変化
するが、プロファイルの形状は変化しない。
ら蒸発源までの偏心距離Ｌおよびアスペクト比ＡＲの関
係が、次の式（２）で表されるような範囲に設定されて
いる場合、 Ｌ≦Ｈ／（２×ＡＲ）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２） 膜厚プロファイルは図２（Ａ）に示すように、中央が基
板の平坦部と同じ膜厚となりその両側に裾を引く富士山
状の分布となる。形成する薄膜が拡散バリア薄膜の場合
は、膜厚がコンタクトホールの高さｈにくらべて小さい
ので、薄膜が堆積してもコンタクトホールのアスペクト
比がほとんど変化しない。すなわち、コンタクトホール
底面の膜厚プロファイルは、基板と蒸発源の位置関係と
コンタクトホールのアスペクト比にのみ依存する。膜厚
プロファイルの基板中心からの距離ｒに対する依存性を
図３に示す。図から明らかなようにｒに比例して膜厚プ
ロファイルの中心とコンタクトホール中心の距離が変化
するが、プロファイルの形状は変化しない。
【００２１】又、蒸発源と基板の距離Ｈ、基板中心軸か
ら蒸発源までの偏心距離Ｌおよびアスペクト比ＡＲの関
係が、次の式（３）で表されるような範囲に設定されて
いる場合、 Ｌ＝Ｈ／（２×ＡＲ）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３） 膜厚プロファイルは図２（Ｂ）に示すように、ほぼ平坦
な楯状の分布となる。
ら蒸発源までの偏心距離Ｌおよびアスペクト比ＡＲの関
係が、次の式（３）で表されるような範囲に設定されて
いる場合、 Ｌ＝Ｈ／（２×ＡＲ）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３） 膜厚プロファイルは図２（Ｂ）に示すように、ほぼ平坦
な楯状の分布となる。
【００２２】さらに、蒸発源と基板の距離Ｈ、基板中心
軸から蒸発源までの偏心距離Ｌおよびアスペクト比ＡＲ
の関係が、次の式（４）で表されるような範囲に設定さ
れている場合、 Ｌ≧Ｈ／（２×ＡＲ）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４） 膜厚プロファイルは図２（Ｃ）に示すように、中央部に
未成膜部分が存在するカルデラ状の分布となる。
軸から蒸発源までの偏心距離Ｌおよびアスペクト比ＡＲ
の関係が、次の式（４）で表されるような範囲に設定さ
れている場合、 Ｌ≧Ｈ／（２×ＡＲ）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４） 膜厚プロファイルは図２（Ｃ）に示すように、中央部に
未成膜部分が存在するカルデラ状の分布となる。
【００２３】この発明は上記のような解析に基づき、コ
ンタクトホール底面にも基板平坦部の１０％以上の膜厚
で、さらに平坦な膜厚プロファイルで成膜できる条件を
特定したものであり、以下この発明の各実施例を図に基
づいて説明する。
ンタクトホール底面にも基板平坦部の１０％以上の膜厚
で、さらに平坦な膜厚プロファイルで成膜できる条件を
特定したものであり、以下この発明の各実施例を図に基
づいて説明する。
【００２４】実施例１． 図４はこの発明の実施例１における薄膜形成装置の主要
部を模式的に示す断面図である。図において、２１は真
空槽で排気通路２２を介して高真空排気系（図示せず）
に接続されている。２３は上部にノズル２３ａが形成さ
れた密閉型のるつぼで、成膜材料２４としてのチタン
（Ｔｉ）が充填されている。２５はるつぼ２３を加熱す
るための加熱用フィラメントで、さらにその外方には熱
シールド板２６が配置されている。そして、るつぼ２３
の上方には、イオン化用の熱電子２７を放出するための
イオン化フィラメント２８と、熱電子２７をイオン化フ
ィラメント２８から引き出して成膜材料２４のビーム２
９に照射する電子引き出し電極３０が設置されている。
成膜材料ビーム２９の中には、成膜材料２４の複数個の
原子が緩く結合したクラスタ３１が含まれている。イオ
ン化フィラメント２８の外方には、輻射熱を遮断する熱
シールド板３２が設けられている。３３はイオン化され
たクラスタイオン３１を加速して基板３４に射突させる
加速電極、３５は真空槽２１へ導入されるヘリウムガス
３６の導入量を調整するバルブ、３７は基板３４上に形
成されるチタン薄膜である。そして、上記２３〜２６、
２８、３０、３２、３３等で点蒸発源としてのクラスタ
イオンビーム源４０を構成している。なお、基板６とし
ては直径１５０ないし２００ｍｍのシリコンウエハーを
用い、クラスタイオンビーム源４０は基板３４の中心軸
の直下に設置されている。
部を模式的に示す断面図である。図において、２１は真
空槽で排気通路２２を介して高真空排気系（図示せず）
に接続されている。２３は上部にノズル２３ａが形成さ
れた密閉型のるつぼで、成膜材料２４としてのチタン
（Ｔｉ）が充填されている。２５はるつぼ２３を加熱す
るための加熱用フィラメントで、さらにその外方には熱
シールド板２６が配置されている。そして、るつぼ２３
の上方には、イオン化用の熱電子２７を放出するための
イオン化フィラメント２８と、熱電子２７をイオン化フ
ィラメント２８から引き出して成膜材料２４のビーム２
９に照射する電子引き出し電極３０が設置されている。
成膜材料ビーム２９の中には、成膜材料２４の複数個の
原子が緩く結合したクラスタ３１が含まれている。イオ
ン化フィラメント２８の外方には、輻射熱を遮断する熱
シールド板３２が設けられている。３３はイオン化され
たクラスタイオン３１を加速して基板３４に射突させる
加速電極、３５は真空槽２１へ導入されるヘリウムガス
３６の導入量を調整するバルブ、３７は基板３４上に形
成されるチタン薄膜である。そして、上記２３〜２６、
２８、３０、３２、３３等で点蒸発源としてのクラスタ
イオンビーム源４０を構成している。なお、基板６とし
ては直径１５０ないし２００ｍｍのシリコンウエハーを
用い、クラスタイオンビーム源４０は基板３４の中心軸
の直下に設置されている。
【００２５】なお、コンタクトホールとしては、水平断
面が円形でなく、小判型、あるいは楕円型である場合も
あり、又、上部に大きなテーパを設けたもの等があるの
で、アスペクト比としては、コンタクトホール形状に応
じて適当な箇所の寸法を用いて計算することが望まし
い。コンタクトホール側面のテーパ角度θは次の式
（５）で求められる。 θ＝ａｒｃｔａｎ｛（ｄu−ｄb）／ｈ｝・・・・・・・・・・・・・（５） そして、基板３４の最外周側に設けられたコンタクトホ
ールの底面に対しても薄膜が形成されるように、蒸発源
と基板３４の距離は次の式（６）で示すような範囲に設
定されている。 Ｒ／Ｈ≦ｔａｎ（θ）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（６）
面が円形でなく、小判型、あるいは楕円型である場合も
あり、又、上部に大きなテーパを設けたもの等があるの
で、アスペクト比としては、コンタクトホール形状に応
じて適当な箇所の寸法を用いて計算することが望まし
い。コンタクトホール側面のテーパ角度θは次の式
（５）で求められる。 θ＝ａｒｃｔａｎ｛（ｄu−ｄb）／ｈ｝・・・・・・・・・・・・・（５） そして、基板３４の最外周側に設けられたコンタクトホ
ールの底面に対しても薄膜が形成されるように、蒸発源
と基板３４の距離は次の式（６）で示すような範囲に設
定されている。 Ｒ／Ｈ≦ｔａｎ（θ）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（６）
【００２６】次に動作について説明する。まず、真空槽
２１内を１０-4Ｐａ（約１０-5Ｔｏｒｒ）の圧力まで排
気した後、バルブ３５を調節して真空槽２１内に１０-2
ないし１０-1Ｐａの圧力になるまでヘリウムガス３６を
導入する。次に加熱用フィラメント２５を通電により加
熱し、輻射熱および熱電子によりるつぼ２３を加熱して
成膜材料２４を蒸発させる。そして成膜材料２４の蒸気
圧が１〜１０3Ｐａ（１０-2〜数１０Ｔｏｒｒ）になる
までるつぼ２３を加熱すると、ノズル２３ａから成膜材
料の蒸気ビーム２９が噴出する。このとき成膜材料の蒸
気ビーム２９の中に、るつぼ２３の内外の圧力差による
断熱膨張によって、多数の原子が緩く結合した塊状原子
集団、すなわちクラスタ３８が形成される。この成膜材
料の蒸気ビーム２９に対して、イオン化フィラメント２
８から熱電子２７が照射される。これによりクラスタ３
８のうちの一個の原子がイオン化され、クラスタイオン
３１が形成される。そして、このクラスタイオン３１
は、加速電極３３と電子引き出し電極３０との間に形成
された電界により適度に加速され、イオン化されていな
い中性のクラスタ３８とともに基板保持機構（図示せ
ず）に取り付けられた基板３４に射突し、拡散バリア膜
の下地となるチタン薄膜３７が形成される。
２１内を１０-4Ｐａ（約１０-5Ｔｏｒｒ）の圧力まで排
気した後、バルブ３５を調節して真空槽２１内に１０-2
ないし１０-1Ｐａの圧力になるまでヘリウムガス３６を
導入する。次に加熱用フィラメント２５を通電により加
熱し、輻射熱および熱電子によりるつぼ２３を加熱して
成膜材料２４を蒸発させる。そして成膜材料２４の蒸気
圧が１〜１０3Ｐａ（１０-2〜数１０Ｔｏｒｒ）になる
までるつぼ２３を加熱すると、ノズル２３ａから成膜材
料の蒸気ビーム２９が噴出する。このとき成膜材料の蒸
気ビーム２９の中に、るつぼ２３の内外の圧力差による
断熱膨張によって、多数の原子が緩く結合した塊状原子
集団、すなわちクラスタ３８が形成される。この成膜材
料の蒸気ビーム２９に対して、イオン化フィラメント２
８から熱電子２７が照射される。これによりクラスタ３
８のうちの一個の原子がイオン化され、クラスタイオン
３１が形成される。そして、このクラスタイオン３１
は、加速電極３３と電子引き出し電極３０との間に形成
された電界により適度に加速され、イオン化されていな
い中性のクラスタ３８とともに基板保持機構（図示せ
ず）に取り付けられた基板３４に射突し、拡散バリア膜
の下地となるチタン薄膜３７が形成される。
【００２７】以上に説明したような位置関係に設置した
点蒸発源のクラスタイオンビーム源４０を用いた場合
は、ヘリウムガス３６を導入して薄膜形成時の圧力は１
０-2〜１０-1Ｐａ程度であるため、成膜材料粒子の平均
自由行程としては約３．５ないし３５ｃｍとなり、クヌ
ーセン数としては約０．１〜１になる。したがってクラ
スタイオンビーム源４０からの成膜材料の蒸気ビーム２
９中のクラスタ３８等の蒸発材料粒子はヘリウムガス原
子３６と平均１〜１０回程度衝突した後、基板３４に到
達することになる（蒸発材料粒子の平均衝突回数はクヌ
ーセン数の逆数とほぼ一致する）。クラスタ３８等の蒸
発材料粒子の質量はヘリウムガス原子の質量の１０倍以
上あり、１回の衝突における蒸発材料粒子の散乱角度は
約５度以下と小さい角度である。したがって、クラスタ
イオンビーム源４０からは影となるコンタクトホールの
底面や側面に対しても蒸発材料粒子が入射することがで
き、さらにその入射角度を小さく抑えることができるた
め、成膜速度を落とすことなくチタン薄膜３７をコンタ
クトホールの底面及び側面にカバレージ性良く形成する
ことができる。
点蒸発源のクラスタイオンビーム源４０を用いた場合
は、ヘリウムガス３６を導入して薄膜形成時の圧力は１
０-2〜１０-1Ｐａ程度であるため、成膜材料粒子の平均
自由行程としては約３．５ないし３５ｃｍとなり、クヌ
ーセン数としては約０．１〜１になる。したがってクラ
スタイオンビーム源４０からの成膜材料の蒸気ビーム２
９中のクラスタ３８等の蒸発材料粒子はヘリウムガス原
子３６と平均１〜１０回程度衝突した後、基板３４に到
達することになる（蒸発材料粒子の平均衝突回数はクヌ
ーセン数の逆数とほぼ一致する）。クラスタ３８等の蒸
発材料粒子の質量はヘリウムガス原子の質量の１０倍以
上あり、１回の衝突における蒸発材料粒子の散乱角度は
約５度以下と小さい角度である。したがって、クラスタ
イオンビーム源４０からは影となるコンタクトホールの
底面や側面に対しても蒸発材料粒子が入射することがで
き、さらにその入射角度を小さく抑えることができるた
め、成膜速度を落とすことなくチタン薄膜３７をコンタ
クトホールの底面及び側面にカバレージ性良く形成する
ことができる。
【００２８】実施例２． なお、上記実施例１では成膜材料２４としてチタンを、
又、真空槽２１に導入されるガスとしてヘリウムガス３
６をそれぞれ用いた場合について説明したが、例えば成
膜材料２４として金またはタングステン、ヘリウムガス
３６に変えてネオンガスを真空槽２１内に導入して金ま
たはタングステンの薄膜を形成しても、ネオンガスの原
子に対して蒸発材料粒子の質量は１０倍程度となり、上
記実施例１における場合と同様の効果が期待でき、又、
金やタングステンに対してヘリウムガスを用いると質量
比は５０倍程度となり、ネオンガスに比べて衝突時の散
乱角度を小さく抑えることができるため、さらにカバレ
ージ性の良好な薄膜を形成することができる。このよう
に、ガス分子に対する蒸発材料粒子の質量比が１０〜５
０倍程度で良好なカバレージ性の薄膜が形成できること
を、計算機シミュレーションにより確認している。
又、真空槽２１に導入されるガスとしてヘリウムガス３
６をそれぞれ用いた場合について説明したが、例えば成
膜材料２４として金またはタングステン、ヘリウムガス
３６に変えてネオンガスを真空槽２１内に導入して金ま
たはタングステンの薄膜を形成しても、ネオンガスの原
子に対して蒸発材料粒子の質量は１０倍程度となり、上
記実施例１における場合と同様の効果が期待でき、又、
金やタングステンに対してヘリウムガスを用いると質量
比は５０倍程度となり、ネオンガスに比べて衝突時の散
乱角度を小さく抑えることができるため、さらにカバレ
ージ性の良好な薄膜を形成することができる。このよう
に、ガス分子に対する蒸発材料粒子の質量比が１０〜５
０倍程度で良好なカバレージ性の薄膜が形成できること
を、計算機シミュレーションにより確認している。
【００２９】実施例３． 図５はこの発明の実施例３における薄膜形成装置の主要
部を模式的に示す断面図である。図において、図４に示
す実施例１の薄膜形成装置と同様な部分は同一符号を付
して説明を省略する。３９は真空槽２１へ導入される窒
素ガス４１の導入量を調整するバルブ、４２は基板３４
上に形成される窒化チタン拡散バリア薄膜である。
部を模式的に示す断面図である。図において、図４に示
す実施例１の薄膜形成装置と同様な部分は同一符号を付
して説明を省略する。３９は真空槽２１へ導入される窒
素ガス４１の導入量を調整するバルブ、４２は基板３４
上に形成される窒化チタン拡散バリア薄膜である。
【００３０】次に動作について説明する。まず、バルブ
３５をしめて真空槽２１内のヘリウムガス３６を排気し
た後、バルブ３９を調節して真空槽２１内に１０-3ない
し１０-2Ｐａの圧力になるまで窒素ガス４１を導入す
る。次にバルブ３５を調節してクヌーセン数が０．１〜
１の範囲内になるようにヘリウムガス３６を導入する。
その後は実施例１のチタン薄膜３７の形成と同様にし
て、るつぼ２３を加熱してノズル２３ａから成膜材料の
蒸気ビーム２９を噴出させてクラスタ３８を形成させ、
このクラスタ３８の一部をイオン化してクラスタイオン
３１を形成し、電界により適度に加速して基板３４を射
突させる。このとき成膜材料の蒸気ビーム２９は基板３
４上で窒素と化合して窒化チタン膜、すなわち拡散バリ
ア薄膜４２が形成される。
３５をしめて真空槽２１内のヘリウムガス３６を排気し
た後、バルブ３９を調節して真空槽２１内に１０-3ない
し１０-2Ｐａの圧力になるまで窒素ガス４１を導入す
る。次にバルブ３５を調節してクヌーセン数が０．１〜
１の範囲内になるようにヘリウムガス３６を導入する。
その後は実施例１のチタン薄膜３７の形成と同様にし
て、るつぼ２３を加熱してノズル２３ａから成膜材料の
蒸気ビーム２９を噴出させてクラスタ３８を形成させ、
このクラスタ３８の一部をイオン化してクラスタイオン
３１を形成し、電界により適度に加速して基板３４を射
突させる。このとき成膜材料の蒸気ビーム２９は基板３
４上で窒素と化合して窒化チタン膜、すなわち拡散バリ
ア薄膜４２が形成される。
【００３１】上記実施例３によれば、反応性ガスとして
窒素ガス４１を真空槽２１内に導入しているため、この
窒素ガス分子が実施例１におけるチタン薄膜形成の場合
のヘリウム原子と同じ役割を果たし、クラスタイオンビ
ーム源４０からのクラスタ３８等の蒸発材料粒子は、こ
れらの窒素ガス分子と衝突した後基板３４に射突する。
しかしながら、窒化させるために必要な窒素ガス４１の
圧力は実施例１におけるヘリウムガス３６の圧力よりも
低く、この状態におけるクヌーセン数は１より大きな値
になっているため、蒸発材料粒子は窒素ガス分子と衝突
せずに基板３４に射突する割合が多くなる。このためヘ
リウムガス４１を導入して圧力を上げ、クヌーセン数を
０．１〜１の範囲内にはいるように下げる。このよう
に、反応性の窒素ガス４１に加えてさらに分子量の軽い
ヘリウムガス３６を導入することによって、窒化チタン
の拡散バリア薄膜４２をコンタクトホールの底面および
側面にカバレージ性良く形成することができる。なお、
クヌーセン数を０．１〜１の範囲内に下げるための手段
として、窒素ガス４１の導入量を増やさずにヘリウムガ
ス３６を導入してガスの圧力を高くしている理由は、窒
素ガス４１の導入量を増やすだけでは、窒素ガス分子は
ヘリウムガス原子よりも７倍程度重く、そのため衝突１
回あたりの蒸発粒子の散乱角度が大きくなり、コンタク
トホール内部に入れない粒子の割合が大きくなってしま
うからである。
窒素ガス４１を真空槽２１内に導入しているため、この
窒素ガス分子が実施例１におけるチタン薄膜形成の場合
のヘリウム原子と同じ役割を果たし、クラスタイオンビ
ーム源４０からのクラスタ３８等の蒸発材料粒子は、こ
れらの窒素ガス分子と衝突した後基板３４に射突する。
しかしながら、窒化させるために必要な窒素ガス４１の
圧力は実施例１におけるヘリウムガス３６の圧力よりも
低く、この状態におけるクヌーセン数は１より大きな値
になっているため、蒸発材料粒子は窒素ガス分子と衝突
せずに基板３４に射突する割合が多くなる。このためヘ
リウムガス４１を導入して圧力を上げ、クヌーセン数を
０．１〜１の範囲内にはいるように下げる。このよう
に、反応性の窒素ガス４１に加えてさらに分子量の軽い
ヘリウムガス３６を導入することによって、窒化チタン
の拡散バリア薄膜４２をコンタクトホールの底面および
側面にカバレージ性良く形成することができる。なお、
クヌーセン数を０．１〜１の範囲内に下げるための手段
として、窒素ガス４１の導入量を増やさずにヘリウムガ
ス３６を導入してガスの圧力を高くしている理由は、窒
素ガス４１の導入量を増やすだけでは、窒素ガス分子は
ヘリウムガス原子よりも７倍程度重く、そのため衝突１
回あたりの蒸発粒子の散乱角度が大きくなり、コンタク
トホール内部に入れない粒子の割合が大きくなってしま
うからである。
【００３２】実施例４． 図６はこの発明の実施例４における薄膜形成装置の主要
部を模式的に示す断面図である。図において、図４およ
び５に示す各実施例１、２の薄膜形成装置と同様な部分
は同一符号を付して説明を省略する。４４はバルブ３５
を連結しヘリウムガス３６を基板３４の直下に送り込む
ためのノズル、４５はこのノズル４４によって送り込ま
れたヘリウムガス３６によって圧力が１０-1〜１Ｐａ程
度に上昇している領域であり、ｈはその領域の基板３４
に対して垂直な方向の長さである。４６は基板３４を保
持し面内回転を施す基板保持機構、４７はこの基板保持
機構４６を支持するとともに、真空槽２１の外部からの
回転力で基板保持機構４６を回転させる回転軸である。
部を模式的に示す断面図である。図において、図４およ
び５に示す各実施例１、２の薄膜形成装置と同様な部分
は同一符号を付して説明を省略する。４４はバルブ３５
を連結しヘリウムガス３６を基板３４の直下に送り込む
ためのノズル、４５はこのノズル４４によって送り込ま
れたヘリウムガス３６によって圧力が１０-1〜１Ｐａ程
度に上昇している領域であり、ｈはその領域の基板３４
に対して垂直な方向の長さである。４６は基板３４を保
持し面内回転を施す基板保持機構、４７はこの基板保持
機構４６を支持するとともに、真空槽２１の外部からの
回転力で基板保持機構４６を回転させる回転軸である。
【００３３】上記実施例４によれば、バルブ３５を調整
しノズル４４を介して基板３４の直下にヘリウムガス３
６を導入し、ガス圧力の上昇している領域４５を形成し
て、この領域４５内における蒸発材料粒子の平均自由行
程λと、領域４５の垂直方向長さｈとから求められるク
ヌーセン数Ｋn（λ／ｈ）が０．１〜１の範囲内にはい
るように設定し、この領域４５内で蒸発材料粒子をヘリ
ウムガス３６の原子と衝突させた後、基板３４に射突さ
せているので、薄膜をコンタクトホールの底面および側
面にカバレージ性良く形成することができる。
しノズル４４を介して基板３４の直下にヘリウムガス３
６を導入し、ガス圧力の上昇している領域４５を形成し
て、この領域４５内における蒸発材料粒子の平均自由行
程λと、領域４５の垂直方向長さｈとから求められるク
ヌーセン数Ｋn（λ／ｈ）が０．１〜１の範囲内にはい
るように設定し、この領域４５内で蒸発材料粒子をヘリ
ウムガス３６の原子と衝突させた後、基板３４に射突さ
せているので、薄膜をコンタクトホールの底面および側
面にカバレージ性良く形成することができる。
【００３４】なお、上記実施例４において、ノズル４４
を図６に示すように配置すると、ノズル４４から飛び出
すヘリウムガス３６の飛行方向は紙面上左側であるた
め、衝突した蒸発材料粒子は左側へしか散乱されず、図
示はしないがコンタクトホール内部の右側には膜が堆積
できない。したがって、基板保持機構４６を回転軸４７
を介して真空槽２１の外部から回転するようにすれば、
コンタクトホール内部の全面に均一に膜を堆積できるよ
うになる。
を図６に示すように配置すると、ノズル４４から飛び出
すヘリウムガス３６の飛行方向は紙面上左側であるた
め、衝突した蒸発材料粒子は左側へしか散乱されず、図
示はしないがコンタクトホール内部の右側には膜が堆積
できない。したがって、基板保持機構４６を回転軸４７
を介して真空槽２１の外部から回転するようにすれば、
コンタクトホール内部の全面に均一に膜を堆積できるよ
うになる。
【００３５】実施例５． 尚、上記実施例４では、基板３４を保持する基板保持機
構４６を回転させることにより、コンタクトホール内部
の全面に均一に薄膜を形成するようにしているが、ノズ
ル４４を基板の周囲に複数個配設し、各ノズル４４から
それぞれヘリウムガス３６を導入するようにしても、上
記実施例４と同様の効果を得ることができる。
構４６を回転させることにより、コンタクトホール内部
の全面に均一に薄膜を形成するようにしているが、ノズ
ル４４を基板の周囲に複数個配設し、各ノズル４４から
それぞれヘリウムガス３６を導入するようにしても、上
記実施例４と同様の効果を得ることができる。
【００３６】実施例６． 又、上記各実施例では、ヘリウムガス３６を真空槽２１
内のクヌーセン数が０．１〜１の範囲内の所定の値にな
るように一定量導入しているが、成膜の初期にバルブ３
５を絞りヘリウムガス３６の導入量を少なくしておき、
成膜の後半にバルブ３５を開けてヘリウムガス３６の導
入量を多くするというように、成膜中におけるヘリウム
ガス３６の導入量を時間的に変化させるようにすれば、
コンタクトホールの底面および側面にさらに高いカバレ
ージ性で膜を堆積することができる。
内のクヌーセン数が０．１〜１の範囲内の所定の値にな
るように一定量導入しているが、成膜の初期にバルブ３
５を絞りヘリウムガス３６の導入量を少なくしておき、
成膜の後半にバルブ３５を開けてヘリウムガス３６の導
入量を多くするというように、成膜中におけるヘリウム
ガス３６の導入量を時間的に変化させるようにすれば、
コンタクトホールの底面および側面にさらに高いカバレ
ージ性で膜を堆積することができる。
【００３７】すなわち、まずヘリウムガス３６の圧力を
下げてクヌーセン数を１として蒸発材料粒子の衝突があ
まり起こらない状態で成膜を行うことにより、成膜初期
に基板３４に対して垂直に射突する成膜材料粒子をコン
タクトホールの底部に十分に堆積させておき、その後圧
力を上げてクヌーセン数を０．１として衝突が頻繁に起
こる状態で成膜を行うことにより成膜後半に基板３４に
対して斜めに射突する成膜材料粒子をコンタクトホール
の側面に堆積させるようにすれば良い。
下げてクヌーセン数を１として蒸発材料粒子の衝突があ
まり起こらない状態で成膜を行うことにより、成膜初期
に基板３４に対して垂直に射突する成膜材料粒子をコン
タクトホールの底部に十分に堆積させておき、その後圧
力を上げてクヌーセン数を０．１として衝突が頻繁に起
こる状態で成膜を行うことにより成膜後半に基板３４に
対して斜めに射突する成膜材料粒子をコンタクトホール
の側面に堆積させるようにすれば良い。
【００３８】実施例７． 又、上記各実施例では、真空槽２１内に導入する不活性
ガスとしてヘリウムガス３６を使用する場合について説
明したが、これに限定されるわけではなく、成膜材料ビ
ーム２９中の蒸発材料粒子の質量よりも分子量が軽く基
板上３４での反応にあずからないガスならば何でもよ
い。ただし、このガスの分子量は軽ければ軽いほど１回
の衝突における蒸発材料粒子の散乱角が小さいためコン
タクトホール内に均一な膜を形成するには有利である。
ガスとしてヘリウムガス３６を使用する場合について説
明したが、これに限定されるわけではなく、成膜材料ビ
ーム２９中の蒸発材料粒子の質量よりも分子量が軽く基
板上３４での反応にあずからないガスならば何でもよ
い。ただし、このガスの分子量は軽ければ軽いほど１回
の衝突における蒸発材料粒子の散乱角が小さいためコン
タクトホール内に均一な膜を形成するには有利である。
【００３９】実施例８． 図７はこの発明の実施例８における薄膜形成装置の主要
部を模式的に示す断面図である。図において、図４に示
す実施例１の薄膜形成装置と同様な部分は同一符号を付
して説明を省略する。４８は基板３４を保持し加熱およ
び面内回転を施す基板保持機構であり、加熱ヒータ４９
を内蔵している。５０は基板保持機構４８を支持すると
ともに、真空槽外部からの回転力で基板保持機構を回転
させる回転軸である。なお、クラスタイオンビーム源４
０は基板３４の回転中心軸から距離Ｌだけ偏心して配設
されており、そして、この偏心距離Ｌは前記式（３）で
定まる値の±２０％の範囲、すなわち具体的には次の式
（７）で示すような範囲に設定されている。 ０．８×Ｈ／（２×ＡＲ）≦Ｌ≦１．２×（２×ＡＲ）・・・・・・（７）
部を模式的に示す断面図である。図において、図４に示
す実施例１の薄膜形成装置と同様な部分は同一符号を付
して説明を省略する。４８は基板３４を保持し加熱およ
び面内回転を施す基板保持機構であり、加熱ヒータ４９
を内蔵している。５０は基板保持機構４８を支持すると
ともに、真空槽外部からの回転力で基板保持機構を回転
させる回転軸である。なお、クラスタイオンビーム源４
０は基板３４の回転中心軸から距離Ｌだけ偏心して配設
されており、そして、この偏心距離Ｌは前記式（３）で
定まる値の±２０％の範囲、すなわち具体的には次の式
（７）で示すような範囲に設定されている。 ０．８×Ｈ／（２×ＡＲ）≦Ｌ≦１．２×（２×ＡＲ）・・・・・・（７）
【００４０】今、上記のように構成された実施例８の薄
膜形成装置において、たとえば、基板３４としてコンタ
クトホールの最大アスペクト比が２．８のコンタクトホ
ールが設けられている半径１００ｍｍのシリコンウエハ
を用いて、Ｈを７００ｍｍ、Ｌを１２０ｍｍに設定し、
成膜速度５ｎｍ／ｍｉｎ、基板３４の回転速度を１０回
転／ｍｉｎとして上記実施例１と同様な作業により成膜
を行ったところ、基板３４全面のコンタクトホール底面
に５０％以上のカバレージ率でチタン薄膜３７が形成で
きた。
膜形成装置において、たとえば、基板３４としてコンタ
クトホールの最大アスペクト比が２．８のコンタクトホ
ールが設けられている半径１００ｍｍのシリコンウエハ
を用いて、Ｈを７００ｍｍ、Ｌを１２０ｍｍに設定し、
成膜速度５ｎｍ／ｍｉｎ、基板３４の回転速度を１０回
転／ｍｉｎとして上記実施例１と同様な作業により成膜
を行ったところ、基板３４全面のコンタクトホール底面
に５０％以上のカバレージ率でチタン薄膜３７が形成で
きた。
【００４１】又、クラスタイオンビーム源４０から基板
３４までの間の距離Ｈに関しては、基板３４の最大半径
Ｒに応じて、基板３４の端部のコンタクトホールで所定
のカバレージ率が確保できるように設定することが望ま
しい。たとえば、半径１００ｍｍの基板３４の端部のコ
ンタクトホールで２０％以上のカバレージ率を確保する
ためには、クラスタイオンビーム源４０から基板３４ま
での距離Ｈを次の式（８）で求めることができる。 （２×ＡＲ×Ｒ）／（１．６−ｄb／ｄu）≦Ｈ・・・・・・・・・・（８） なお、上式で左辺分母中の数値１．６は、コンタクトホ
ール底面における楯状の膜厚プロファイルが２０％にな
る位置に相当する。
３４までの間の距離Ｈに関しては、基板３４の最大半径
Ｒに応じて、基板３４の端部のコンタクトホールで所定
のカバレージ率が確保できるように設定することが望ま
しい。たとえば、半径１００ｍｍの基板３４の端部のコ
ンタクトホールで２０％以上のカバレージ率を確保する
ためには、クラスタイオンビーム源４０から基板３４ま
での距離Ｈを次の式（８）で求めることができる。 （２×ＡＲ×Ｒ）／（１．６−ｄb／ｄu）≦Ｈ・・・・・・・・・・（８） なお、上式で左辺分母中の数値１．６は、コンタクトホ
ール底面における楯状の膜厚プロファイルが２０％にな
る位置に相当する。
【００４２】実施例９． なお、上記実施例８では基板３４の回転中心軸から距離
Ｌだけ偏心した位置に、蒸発源としてのクラスタイオン
ビーム源４０を１台だけ配設した場合について説明した
が、距離Ｌを半径とした同一円周上に複数台のクラスタ
イオンビーム源を配置して成膜を行うようにしても良
く、上記実施例８と同様の効果を得ることは勿論のこ
と、蒸発源を複数としたことにより成膜速度の増大を図
ることができる。
Ｌだけ偏心した位置に、蒸発源としてのクラスタイオン
ビーム源４０を１台だけ配設した場合について説明した
が、距離Ｌを半径とした同一円周上に複数台のクラスタ
イオンビーム源を配置して成膜を行うようにしても良
く、上記実施例８と同様の効果を得ることは勿論のこ
と、蒸発源を複数としたことにより成膜速度の増大を図
ることができる。
【００４３】実施例１０． 図８はこの発明の実施例１０における薄膜形成装置の主
要部を模式的に示す断面図である。図に示すように、上
記各実施例と同様な点蒸発源としてのクラスタイオンビ
ーム源４０が、基板３４の回転中心軸からそれぞれ偏心
距離Ｌ1、Ｌ2を介して配置され、各偏心距離Ｌ1、Ｌ2は
次の式（９）で示すような範囲に設定されている。 Ｒ−Ｈ/(２×ＡＲ)≦Ｌ1≦Ｈ/(２×ＡＲ)≦Ｌ2≦Ｈ/(２×ＡＲ)＋Ｌ1・・（９）
要部を模式的に示す断面図である。図に示すように、上
記各実施例と同様な点蒸発源としてのクラスタイオンビ
ーム源４０が、基板３４の回転中心軸からそれぞれ偏心
距離Ｌ1、Ｌ2を介して配置され、各偏心距離Ｌ1、Ｌ2は
次の式（９）で示すような範囲に設定されている。 Ｒ−Ｈ/(２×ＡＲ)≦Ｌ1≦Ｈ/(２×ＡＲ)≦Ｌ2≦Ｈ/(２×ＡＲ)＋Ｌ1・・（９）
【００４４】上記のように配置された２台のクラスタイ
オンビーム源４０は、それぞれほぼ同じビーム強度とな
るように動作させる。基板３４として最大アスペクト比
が２．８のコンタクトホールが設けられている半径１０
０ｍｍのシリコンウエハを用いる場合、Ｈを７００ｍｍ
と定めるとＬ1、Ｌ2の条件は次の式（１０）で表され
る。 １２．５≦Ｌ1≦８７．５≦Ｌ2≦８７．５＋Ｌ1・・・・・・・・（１０） 今、その一例として、Ｌ1を８０ｍｍ、Ｌ2を１６０ｍｍ
に設定して各クラスタイオンビーム源４０からのビーム
強度（成膜速度）を５ｎｍ／ｍｉｎ、基板３４の回転速
度を１０回転／ｍｉｎとして成膜を行ったところ、基板
全面のコンタクトホール底面に５０％以上のカバレージ
率で窒化チタンの拡散バリア薄膜が形成できた。
オンビーム源４０は、それぞれほぼ同じビーム強度とな
るように動作させる。基板３４として最大アスペクト比
が２．８のコンタクトホールが設けられている半径１０
０ｍｍのシリコンウエハを用いる場合、Ｈを７００ｍｍ
と定めるとＬ1、Ｌ2の条件は次の式（１０）で表され
る。 １２．５≦Ｌ1≦８７．５≦Ｌ2≦８７．５＋Ｌ1・・・・・・・・（１０） 今、その一例として、Ｌ1を８０ｍｍ、Ｌ2を１６０ｍｍ
に設定して各クラスタイオンビーム源４０からのビーム
強度（成膜速度）を５ｎｍ／ｍｉｎ、基板３４の回転速
度を１０回転／ｍｉｎとして成膜を行ったところ、基板
全面のコンタクトホール底面に５０％以上のカバレージ
率で窒化チタンの拡散バリア薄膜が形成できた。
【００４５】図９は上記のようにして成膜された実施例
１０におけるコンタクトホールの断面を、従来のスパッ
タ法によって成膜されたコンタクトホールの断面と比較
して示す図で、図９（Ａ）は実施例１０の場合を示す模
式図、図９（Ｂ）は従来のスパッタ法の場合を示す模式
図である。これらの図からも明らかなように、この発明
の実施例１０で成膜したものでは、コンタクトホールの
ボトムカバレージ率（ｔB／ｔ）は５０％に達している
のに対し、従来のスパッタ法で成膜したものではボトム
カバレージ率は３％に過ぎない。
１０におけるコンタクトホールの断面を、従来のスパッ
タ法によって成膜されたコンタクトホールの断面と比較
して示す図で、図９（Ａ）は実施例１０の場合を示す模
式図、図９（Ｂ）は従来のスパッタ法の場合を示す模式
図である。これらの図からも明らかなように、この発明
の実施例１０で成膜したものでは、コンタクトホールの
ボトムカバレージ率（ｔB／ｔ）は５０％に達している
のに対し、従来のスパッタ法で成膜したものではボトム
カバレージ率は３％に過ぎない。
【００４６】要するに、上記実施例１０は図２（Ａ）、
（Ｃ）のプロファイルを組み合わせて膜厚プロファイル
の平坦化を図るものである。前記式（１）の軌跡の式よ
り、Ｈが同じであればＬが異なっても軌跡の中心が同じ
位置であることを利用し、富士山状のプロファイルの裾
野にカルデラ状のプロファイルを重ねたものであり、コ
ンタクトホール底面の膜厚プロファイルは図１０（Ａ）
に示すようになっている。
（Ｃ）のプロファイルを組み合わせて膜厚プロファイル
の平坦化を図るものである。前記式（１）の軌跡の式よ
り、Ｈが同じであればＬが異なっても軌跡の中心が同じ
位置であることを利用し、富士山状のプロファイルの裾
野にカルデラ状のプロファイルを重ねたものであり、コ
ンタクトホール底面の膜厚プロファイルは図１０（Ａ）
に示すようになっている。
【００４７】実施例１１． なお、上記実施例１０では、２台のクラスタイオンビー
ム源４０の成膜速度を同一にした場合について説明した
が、例えば偏心距離Ｌ2に配置されるクラスタイオンビ
ーム源４０からの成膜速度を、偏心距離Ｌ1に配置され
るクラスタイオンビーム源４０からの成膜速度の１．５
ないし４倍とすると、図１０（Ｂ）に示すようにコンタ
クトホール底面にはより均一な膜厚プロファイルが得ら
れる。
ム源４０の成膜速度を同一にした場合について説明した
が、例えば偏心距離Ｌ2に配置されるクラスタイオンビ
ーム源４０からの成膜速度を、偏心距離Ｌ1に配置され
るクラスタイオンビーム源４０からの成膜速度の１．５
ないし４倍とすると、図１０（Ｂ）に示すようにコンタ
クトホール底面にはより均一な膜厚プロファイルが得ら
れる。
【００４８】実施例１２． また、各クラスタイオンビーム源４０からの成膜速度が
同一の場合でも、例えば偏心距離Ｌ1の位置に１台、ま
た偏心距離Ｌ2の位置に２ないし４台のクラスタイオン
ビーム源４０を配置するようにすれば、上記実施例１１
におけると同様な効果を奏する。
同一の場合でも、例えば偏心距離Ｌ1の位置に１台、ま
た偏心距離Ｌ2の位置に２ないし４台のクラスタイオン
ビーム源４０を配置するようにすれば、上記実施例１１
におけると同様な効果を奏する。
【００４９】実施例１３． また、上記各実施例１０ないし１２では、前記式
（２）、（４）を満足する偏心距離Ｌ1、Ｌ2の２種類の
位置にクラスタイオンビーム源４０を配置した場合につ
いて説明したが、３種類以上の偏心距離の位置にクラス
タイオンビーム源４０を配置する場合にも適用できるこ
とは言うまでもない。
（２）、（４）を満足する偏心距離Ｌ1、Ｌ2の２種類の
位置にクラスタイオンビーム源４０を配置した場合につ
いて説明したが、３種類以上の偏心距離の位置にクラス
タイオンビーム源４０を配置する場合にも適用できるこ
とは言うまでもない。
【００５０】実施例１４． また、上記各実施例では、基板と蒸発源の距離が同一の
Ｈであるように複数個の蒸発源を設置し、それぞれの膜
厚プロファイルの中心が重なるようにした場合を示した
が、基板との距離がそれぞれ異なる複数個の蒸発源を用
いて成膜しても、所定のカバレージ率を得ることができ
る。
Ｈであるように複数個の蒸発源を設置し、それぞれの膜
厚プロファイルの中心が重なるようにした場合を示した
が、基板との距離がそれぞれ異なる複数個の蒸発源を用
いて成膜しても、所定のカバレージ率を得ることができ
る。
【００５１】実施例１５． 上記各実施例では、蒸発源としてクラスタイオンビーム
源を用いた場合を示したが、成膜材料の発生源の形状が
点あるいは環状であり、成膜材料粒子の平均自由工程
（λ）と蒸発源と基板の距離（Ｈ）の比で求められるク
ヌーセン数Ｋn（＝λ／Ｈ）が０．１〜１の範囲内とな
る条件で成膜できる物理蒸着法であれば、他の形式の成
膜法を用いても同等の効果が得られる。たとえばクラス
タイオンビーム源に替えて、点蒸発源である電子ビーム
蒸発源を用いてこれまでに説明したような位置関係に蒸
発源と基板を設置し、基板を回転させながら成膜しても
良い。また、複数個の小型の抵抗加熱ボート式蒸発源を
半径Ｌの同心円上に配置して環状の蒸発源を構成し、基
板を回転させずに成膜しても良い。このとき線状の成膜
材料を自動供給する機構を備えるようにすれば、成膜の
スループット向上を図ることができる。
源を用いた場合を示したが、成膜材料の発生源の形状が
点あるいは環状であり、成膜材料粒子の平均自由工程
（λ）と蒸発源と基板の距離（Ｈ）の比で求められるク
ヌーセン数Ｋn（＝λ／Ｈ）が０．１〜１の範囲内とな
る条件で成膜できる物理蒸着法であれば、他の形式の成
膜法を用いても同等の効果が得られる。たとえばクラス
タイオンビーム源に替えて、点蒸発源である電子ビーム
蒸発源を用いてこれまでに説明したような位置関係に蒸
発源と基板を設置し、基板を回転させながら成膜しても
良い。また、複数個の小型の抵抗加熱ボート式蒸発源を
半径Ｌの同心円上に配置して環状の蒸発源を構成し、基
板を回転させずに成膜しても良い。このとき線状の成膜
材料を自動供給する機構を備えるようにすれば、成膜の
スループット向上を図ることができる。
【００５２】実施例１６． 図１１はこの発明の実施例１６におけるスパッタ法を適
用した薄膜形成装置の主要部を模式的に示す断面図であ
る。図において、図１３に示す従来装置と同様な部分は
同一符号を付して説明を省略する。５１は低い圧力でも
放電開始を容易にするために設けられたトリガ用電子放
出電極、５２は成膜材料３を円環状にスパッタするため
に局部的に磁界を加えるマグネットである。上記のよう
に構成された薄膜形成装置においては、成膜材料３の裏
面に配設されたマグネット５２の配置を調整して半径が
Ｌの環状のスパッタ領域とし、成膜材料３と基板６との
距離Ｈとスパッタ領域の半径Ｌとの関係を、上記実施例
８における式（７）で示すような範囲に設定して、例え
ば窒化チタン薄膜を形成する場合にはアルゴンと窒素の
混合ガスを真空槽１内に導入した後、成膜材料３をスパ
ッタするようにしたのでコンタクトホールの底面および
側面に良好なカバレージ率で窒化チタンの拡散バリア薄
膜が形成できた。
用した薄膜形成装置の主要部を模式的に示す断面図であ
る。図において、図１３に示す従来装置と同様な部分は
同一符号を付して説明を省略する。５１は低い圧力でも
放電開始を容易にするために設けられたトリガ用電子放
出電極、５２は成膜材料３を円環状にスパッタするため
に局部的に磁界を加えるマグネットである。上記のよう
に構成された薄膜形成装置においては、成膜材料３の裏
面に配設されたマグネット５２の配置を調整して半径が
Ｌの環状のスパッタ領域とし、成膜材料３と基板６との
距離Ｈとスパッタ領域の半径Ｌとの関係を、上記実施例
８における式（７）で示すような範囲に設定して、例え
ば窒化チタン薄膜を形成する場合にはアルゴンと窒素の
混合ガスを真空槽１内に導入した後、成膜材料３をスパ
ッタするようにしたのでコンタクトホールの底面および
側面に良好なカバレージ率で窒化チタンの拡散バリア薄
膜が形成できた。
【００５３】実施例１７． なお、成膜材料３の裏面に配設されたマグネット４５の
配置を変更して２重環状のスパッタ領域とし、各スパッ
タ領域のそれぞれの半径Ｌ1、Ｌ2の関係を、実施例１０
における式（９）に示すような範囲に設定して成膜材料
３をスパッタしても、コンタクトホールの底面および側
面に良好なカバレージ率で拡散バリア薄膜が形成でき
た。
配置を変更して２重環状のスパッタ領域とし、各スパッ
タ領域のそれぞれの半径Ｌ1、Ｌ2の関係を、実施例１０
における式（９）に示すような範囲に設定して成膜材料
３をスパッタしても、コンタクトホールの底面および側
面に良好なカバレージ率で拡散バリア薄膜が形成でき
た。
【００５４】実施例１８． また、上記各実施例１６、１７では、円盤状の成膜材料
３の場合について説明したが、円環状の成膜材料あるい
は円筒状の成膜材料の側面をスパッタする方法を適用す
れば、成膜材料の利用効率が向上し、実用上優れた効果
を発揮する。
３の場合について説明したが、円環状の成膜材料あるい
は円筒状の成膜材料の側面をスパッタする方法を適用す
れば、成膜材料の利用効率が向上し、実用上優れた効果
を発揮する。
【００５５】実施例１９． さらに、例えば直径が２００ｍｍの基板６に適用した場
合、１桁小さい直径２０ｍｍ以下の小径成膜材料を用い
てこれをスパッタし、成膜材料の粒子ビーム発生源とす
ると、この発生源は点蒸発源と見なせるので上記実施例
に示した構成で、クラスタイオンビーム源にかえて使用
することによりコンタクトホールの底面および側面に良
好なカバレージ率で薄膜が形成できる。
合、１桁小さい直径２０ｍｍ以下の小径成膜材料を用い
てこれをスパッタし、成膜材料の粒子ビーム発生源とす
ると、この発生源は点蒸発源と見なせるので上記実施例
に示した構成で、クラスタイオンビーム源にかえて使用
することによりコンタクトホールの底面および側面に良
好なカバレージ率で薄膜が形成できる。
【００５６】実施例２０． 図１２はこの発明の実施例２０におけるイオンビームス
パッタ法を適用した薄膜形成装置の主要部を模式的に示
す断面図である。図において、上記各実施例におけるも
のと同様な部分は同一符号を付して説明を省略する。５
３はイオン発生部５３ａ、収束電極５３ｂおよび偏向電
極５３ｃで構成されるイオン源で、例えばアルゴン等の
イオンビーム５４を形成し、成膜材料３をスパッタす
る。今、イオン源５３からのイオンビーム５４によって
スパッタされる成膜材料３上のスパッタ領域を、例えば
基板３４の直径が２００ｍｍとすると、それより１桁小
さい２０ｍｍ以内の範囲に限定すると点蒸発源とみなす
ことができるので、上記各実施例１、８と同様の位置関
係に各部を配置すれば、上記各実施例と同様にコンタク
トホールの底面および側面に良好なカバレージ率で拡散
バリア薄膜が形成できる。
パッタ法を適用した薄膜形成装置の主要部を模式的に示
す断面図である。図において、上記各実施例におけるも
のと同様な部分は同一符号を付して説明を省略する。５
３はイオン発生部５３ａ、収束電極５３ｂおよび偏向電
極５３ｃで構成されるイオン源で、例えばアルゴン等の
イオンビーム５４を形成し、成膜材料３をスパッタす
る。今、イオン源５３からのイオンビーム５４によって
スパッタされる成膜材料３上のスパッタ領域を、例えば
基板３４の直径が２００ｍｍとすると、それより１桁小
さい２０ｍｍ以内の範囲に限定すると点蒸発源とみなす
ことができるので、上記各実施例１、８と同様の位置関
係に各部を配置すれば、上記各実施例と同様にコンタク
トホールの底面および側面に良好なカバレージ率で拡散
バリア薄膜が形成できる。
【００５７】実施例２１． なお、上記実施例２０におけるイオン源５３からのイオ
ンビーム５４を偏向して、成膜材料３上に複数のスパッ
タ領域を設けるようにすれば、実施例１０で示したと同
様の効果を奏することができる。
ンビーム５４を偏向して、成膜材料３上に複数のスパッ
タ領域を設けるようにすれば、実施例１０で示したと同
様の効果を奏することができる。
【００５８】実施例２２． また、上記実施例２０におけるイオン源５３からのイオ
ンビーム５４を、成膜材料３上に環状に照射するように
すれば、環状蒸発源を用いた場合と同様の効果を奏する
ことができる。
ンビーム５４を、成膜材料３上に環状に照射するように
すれば、環状蒸発源を用いた場合と同様の効果を奏する
ことができる。
【００５９】実施例２３． 上記各実施例では、コンタクトホールとして水平断面が
円形であるものの場合を示したが、水平断面が楕円型あ
るいは小判型のコンタクトホールに対しても、同様にこ
の発明を適用することができる。円形の場合は、最小半
径ｄ、深さｈを用い最大アスペクト比を求める。楕円型
あるいは小判型の場合は、コンタクトホールの底面にお
けるコンタクトホール上部の中心の軌跡が楕円型あるい
は小判型であると良好なカバレージ性が得られるので、
蒸発源形状として実施例１５で示した環状にかえて楕円
型あるいは小判型の蒸発源を使用しても良い。また、コ
ンタクトホール以外の細孔、たとえば貫通孔、電極孔ま
たは配線孔等に対して適用しても良い。さらに基板に設
けられた細溝（トレンチ）に対して適用することも可能
である。なお溝の場合は溝の幅ｗ、深さｈを用いて最大
アスペクト比を求める。
円形であるものの場合を示したが、水平断面が楕円型あ
るいは小判型のコンタクトホールに対しても、同様にこ
の発明を適用することができる。円形の場合は、最小半
径ｄ、深さｈを用い最大アスペクト比を求める。楕円型
あるいは小判型の場合は、コンタクトホールの底面にお
けるコンタクトホール上部の中心の軌跡が楕円型あるい
は小判型であると良好なカバレージ性が得られるので、
蒸発源形状として実施例１５で示した環状にかえて楕円
型あるいは小判型の蒸発源を使用しても良い。また、コ
ンタクトホール以外の細孔、たとえば貫通孔、電極孔ま
たは配線孔等に対して適用しても良い。さらに基板に設
けられた細溝（トレンチ）に対して適用することも可能
である。なお溝の場合は溝の幅ｗ、深さｈを用いて最大
アスペクト比を求める。
【００６０】
【発明の効果】以上のように、この発明の請求項１によ
れば、粒子発生源が基体までの間の距離Ｈを同じにした
２台の点蒸発源である場合には基体を回転させ且つ基体
の中心軸から各点蒸発源までの各偏心距離Ｌ 1a 、Ｌ
1b を、基体の半径をＲとしたとき、 Ｒ−Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 1a ≦Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 1b ≦Ｈ／(２×ＡＲ)＋Ｌ 1a に設定し、又、粒子発生源が距離Ｈを同じにした２台の
環状蒸発源である場合には環状蒸発源の各半径Ｌ 2a 、Ｌ
2b を、 Ｒ−Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 2a ≦Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 2b ≦Ｈ／(２×ＡＲ)＋Ｌ 2a に設定して成膜を行うようにしたので、基体に設けられ
たアスペクト比の大きな細溝または細孔の底面および側
面に対して、良好なカバレージ性を有する薄膜を形成す
ることが可能な薄膜形成装置を提供することができる。
れば、粒子発生源が基体までの間の距離Ｈを同じにした
２台の点蒸発源である場合には基体を回転させ且つ基体
の中心軸から各点蒸発源までの各偏心距離Ｌ 1a 、Ｌ
1b を、基体の半径をＲとしたとき、 Ｒ−Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 1a ≦Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 1b ≦Ｈ／(２×ＡＲ)＋Ｌ 1a に設定し、又、粒子発生源が距離Ｈを同じにした２台の
環状蒸発源である場合には環状蒸発源の各半径Ｌ 2a 、Ｌ
2b を、 Ｒ−Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 2a ≦Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 2b ≦Ｈ／(２×ＡＲ)＋Ｌ 2a に設定して成膜を行うようにしたので、基体に設けられ
たアスペクト比の大きな細溝または細孔の底面および側
面に対して、良好なカバレージ性を有する薄膜を形成す
ることが可能な薄膜形成装置を提供することができる。
【００６１】又、この発明の請求項２によれば、成膜材
料のスパッタ領域の直径を基体の直径のほぼ１／１０以
下にするとともにスパッタ領域が基体の直下になるよう
に成膜材料を配設し且つ成膜材料粒子の基体上への入射
角度を細溝または細孔の側面のテーパ角度以下となるよ
うに設定して成膜を行うようにしたので、基体に設けら
れたアスペクト比の大きな細溝または細孔の底面および
側面に対して、良好なカバレージ性を有する薄膜を形成
することが可能な薄膜形成装置を提供することができ
る。
料のスパッタ領域の直径を基体の直径のほぼ１／１０以
下にするとともにスパッタ領域が基体の直下になるよう
に成膜材料を配設し且つ成膜材料粒子の基体上への入射
角度を細溝または細孔の側面のテーパ角度以下となるよ
うに設定して成膜を行うようにしたので、基体に設けら
れたアスペクト比の大きな細溝または細孔の底面および
側面に対して、良好なカバレージ性を有する薄膜を形成
することが可能な薄膜形成装置を提供することができ
る。
【００６２】又、この発明の請求項３によれば、細溝ま
たは細孔の深さｈと細溝の幅または細孔の直径ｄｕとの
比で求められる最大アスペクト比をＡＲ（ｈ／ｄｕ）と
する とき、成膜材料を環状にスパッタし且つ環状のスパ
ッタ領域の半径Ｌ 3 をほぼＨ／（２×ＡＲ）に設定して
成膜を行うようにしたので、基体に設けられたアスペク
ト比の大きな細溝または細孔の底面および側面に対し
て、良好なカバレージ性を有する薄膜を形成することが
可能な薄膜形成装置を提供することができる。
たは細孔の深さｈと細溝の幅または細孔の直径ｄｕとの
比で求められる最大アスペクト比をＡＲ（ｈ／ｄｕ）と
する とき、成膜材料を環状にスパッタし且つ環状のスパ
ッタ領域の半径Ｌ 3 をほぼＨ／（２×ＡＲ）に設定して
成膜を行うようにしたので、基体に設けられたアスペク
ト比の大きな細溝または細孔の底面および側面に対し
て、良好なカバレージ性を有する薄膜を形成することが
可能な薄膜形成装置を提供することができる。
【００６３】又、この発明の請求項４によれば、成膜材
料のスパッタ領域が基体までの間の距離Ｈを同じにした
２個所に設定されている場合には成膜材料の各スパッタ
領域の各半径Ｌ 1a 、Ｌ 1b を、基体の半径をＲとしたと
き、 Ｒ−Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 1a ≦Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 1b ≦Ｈ／(２×ＡＲ)＋Ｌ 1a に設定し成膜を行うようにしたので、基体に設けられた
アスペクト比の大きな細溝または細孔の底面および側面
に対して、良好なカバレージ性を有する薄膜を形成する
ことが可能な薄膜形成装置を提供することができる。
料のスパッタ領域が基体までの間の距離Ｈを同じにした
２個所に設定されている場合には成膜材料の各スパッタ
領域の各半径Ｌ 1a 、Ｌ 1b を、基体の半径をＲとしたと
き、 Ｒ−Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 1a ≦Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 1b ≦Ｈ／(２×ＡＲ)＋Ｌ 1a に設定し成膜を行うようにしたので、基体に設けられた
アスペクト比の大きな細溝または細孔の底面および側面
に対して、良好なカバレージ性を有する薄膜を形成する
ことが可能な薄膜形成装置を提供することができる。
【００６４】又、この発明の請求項５によれば、真空雰
囲気中にガスを導入し且つガスの圧力を、蒸気ビーム中
の蒸発材料粒子の平均自由行程λと、粒子発生源と基体
との間の距離Ｈとの比で求められるクヌーセン数Ｋ
n （λ／Ｈ）がほぼ１になるように所定時間保持すると
ともに、所定時間経過後ガスの圧力をクヌーセン数Ｋ n
がほぼ０．１になるように上昇させて成膜を行うように
したので、基体に設けられたアスペクト比の大きな細溝
または細孔の底面および側面に対して、良好なカバレー
ジ性を有する薄膜を形成することが可能な薄膜形成装置
を提供することができる。
囲気中にガスを導入し且つガスの圧力を、蒸気ビーム中
の蒸発材料粒子の平均自由行程λと、粒子発生源と基体
との間の距離Ｈとの比で求められるクヌーセン数Ｋ
n （λ／Ｈ）がほぼ１になるように所定時間保持すると
ともに、所定時間経過後ガスの圧力をクヌーセン数Ｋ n
がほぼ０．１になるように上昇させて成膜を行うように
したので、基体に設けられたアスペクト比の大きな細溝
または細孔の底面および側面に対して、良好なカバレー
ジ性を有する薄膜を形成することが可能な薄膜形成装置
を提供することができる。
【図１】 この発明における薄膜形成装置の各部の配置
およびコンタクトホールを模式的に示す図である。
およびコンタクトホールを模式的に示す図である。
【図２】 この発明における薄膜形成装置によって形成
されるコンタクトホール底面の薄膜の膜厚プロファイル
を示す模式図である。
されるコンタクトホール底面の薄膜の膜厚プロファイル
を示す模式図である。
【図３】 この発明における薄膜形成装置によって形成
されるコンタクトホール底面の薄膜の膜厚プロファイル
の基板中心からの距離に対する依存性を示す図である。
されるコンタクトホール底面の薄膜の膜厚プロファイル
の基板中心からの距離に対する依存性を示す図である。
【図４】 この発明の実施例１における薄膜形成装置の
主要部を模式的に示す断面図である。
主要部を模式的に示す断面図である。
【図５】 この発明の実施例３における薄膜形成装置の
主要部を模式的に示す断面図である。
主要部を模式的に示す断面図である。
【図６】 この発明の実施例４における薄膜形成装置の
主要部を模式的に示す断面図である。
主要部を模式的に示す断面図である。
【図７】 この発明の実施例８における薄膜形成装置の
主要部を模式的に示す断面図である。
主要部を模式的に示す断面図である。
【図８】 この発明の実施例１０における薄膜形成装置
の主要部を模式的に示す断面図である。
の主要部を模式的に示す断面図である。
【図９】 図８における薄膜形成装置で成膜されたコン
タクトホール底面の薄膜の状態を、従来のスパッタ法に
よって成膜されたコンタクトホール底面の薄膜の状態と
比較して示す図である。
タクトホール底面の薄膜の状態を、従来のスパッタ法に
よって成膜されたコンタクトホール底面の薄膜の状態と
比較して示す図である。
【図１０】 この発明の実施例１０、１１における薄膜
形成装置によって形成されるコンタクトホール底面の薄
膜の膜厚プロファイルをそれぞれ示す模式図である。
形成装置によって形成されるコンタクトホール底面の薄
膜の膜厚プロファイルをそれぞれ示す模式図である。
【図１１】 この発明の実施例１６におけるスパッタ法
を適用した薄膜形成装置の主要部を模式的に示す断面図
である。
を適用した薄膜形成装置の主要部を模式的に示す断面図
である。
【図１２】 この発明の実施例２０におけるイオンビー
ムスパッタ法を適用した薄膜形成装置の主要部を模式的
に示す断面図である。
ムスパッタ法を適用した薄膜形成装置の主要部を模式的
に示す断面図である。
【図１３】 従来のスパッタ法を適用した薄膜形成装置
の主要部を模式的に示す断面図である。
の主要部を模式的に示す断面図である。
【図１４】 図１３における薄膜形成装置によってコン
タクトホールに多層配線膜を形成する工程を示す模式図
である。
タクトホールに多層配線膜を形成する工程を示す模式図
である。
１，２１ 真空槽、３，２４ 成膜材料、６，３４ 基
板（基体）、７，４９ ヒータ、１０ グロー放電、２
３ るつぼ、２５ 加熱用フィラメント、２７ 熱電
子、２９ 成膜材料ビーム（成膜材料の蒸気ビーム）、
３１ クラスタ、３５，３９ バルブ、３６ ヘリウム
ガス、３７ チタン薄膜、４０ クラスタイオンビーム
源（粒子発生源）、４１ 窒素ガス、４２ 拡散バリア
薄膜、４４ ノズル、４５ 圧力上昇領域、４６，４８
基板保持機構、５１ トリガ用電子放出電極、５２
マグネット、５３ イオン源。
板（基体）、７，４９ ヒータ、１０ グロー放電、２
３ るつぼ、２５ 加熱用フィラメント、２７ 熱電
子、２９ 成膜材料ビーム（成膜材料の蒸気ビーム）、
３１ クラスタ、３５，３９ バルブ、３６ ヘリウム
ガス、３７ チタン薄膜、４０ クラスタイオンビーム
源（粒子発生源）、４１ 窒素ガス、４２ 拡散バリア
薄膜、４４ ノズル、４５ 圧力上昇領域、４６，４８
基板保持機構、５１ トリガ用電子放出電極、５２
マグネット、５３ イオン源。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山西 健一郎 尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電 機株式会社 生産技術研究所内 (72)発明者 石井 宏之 尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電 機株式会社 生産技術研究所内 (72)発明者 伊藤 弘基 尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電 機株式会社 伊丹製作所内 (72)発明者 花井 正博 尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電 機株式会社 伊丹製作所内 (56)参考文献 特開 平１−212761（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−251920（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−193867（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−65823（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−44713（ＪＰ，Ａ) 特公 昭55−2736（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58 H01L 21/203 H01L 21/285
Claims (5)
- 【請求項１】 真空雰囲気中で粒子発生源から噴出され
る成膜材料の蒸気ビームを細溝または細孔を有する基体
上に照射して薄膜を形成する薄膜形成装置において、上
記粒子発生源が上記基体までの間の距離Ｈを同じにした
２台の点蒸発源である場合には上記基体を回転させ且つ
上記基体の中心軸から上記各点蒸発源までの各偏心距離
Ｌ 1a 、Ｌ 1b を、上記基体の半径をＲとしたとき、 Ｒ−Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 1a ≦Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 1b ≦Ｈ／(２×ＡＲ)＋Ｌ 1a に設定し、又、上記粒子発生源が上記距離Ｈを同じにし
た２台の環状蒸発源である場合には上記環状蒸発源の各
半径Ｌ 2a 、Ｌ 2b を、 Ｒ−Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 2a ≦Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 2b ≦Ｈ／(２×ＡＲ)＋Ｌ 2a に設定したことを特徴とする薄膜形成装置。 - 【請求項２】 真空雰囲気中で一対の電極間にプラズマ
を発生させ陰極上に配設された成膜材料を上記プラズマ
中のイオンでスパッタし対向する陽極上に配設された細
溝または細孔を有する基体上に堆積させて薄膜を形成す
る薄膜形成装置において、上記成膜材料のスパッタ領域
の直径を上記基体の直径のほぼ１／１０以下にするとと
もに上記スパッタ領域が上記基体の直下になるように上
記成膜材料を配設し且つ成膜材料粒子の上記基体上への
入射角度を上記細溝または細孔の側面のテーパ角度以下
となるように設定したことを特徴とする薄膜形成装置。 - 【請求項３】 真空雰囲気中で一対の電極間にプラズマ
を発生させ陰極上に配設された成膜材料を上記プラズマ
中のイオンでスパッタし対向する陽極上に配設された細
溝または細孔を有する基体上に堆積させて薄膜を形成す
る薄膜形成装置において、上記細溝または細孔の深さｈ
と上記細溝の幅または上記細孔の直径ｄｕとの比で求め
られる最大アスペクト比をＡＲ（ｈ／ｄｕ）とすると
き、上記成膜材料を環状にスパッタし且つ環状のスパッ
タ領域の半径Ｌ 3 をほぼＨ／（２×ＡＲ）に設定したこ
とを特徴とする薄膜形成装置。 - 【請求項４】 真空雰囲気中で一対の電極間にプラズマ
を発生させ陰極上に配設された成膜材料を上記プラズマ
中のイオンでスパッタし対向する陽極上に配 設された細
溝または細孔を有する基体上に堆積させて薄膜を形成す
る薄膜形成装置において、上記成膜材料のスパッタ領域
が上記基体までの間の距離Ｈを同じにした２個所に設定
されている場合には上記成膜材料の各スパッタ領域の各
半径Ｌ 1a 、Ｌ 1b を、上記基体の半径をＲとしたとき、 Ｒ−Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 1a ≦Ｈ／(２×ＡＲ)≦Ｌ 1b ≦Ｈ／(２×ＡＲ)＋Ｌ 1a に設定したことを特徴とする薄膜形成装置。 - 【請求項５】 真空雰囲気中で粒子発生源から噴出され
る成膜材料の蒸気ビームを細溝または細孔を有する基体
上に照射して薄膜を形成する薄膜形成装置において、上
記真空雰囲気中にガスを導入し且つ上記ガスの圧力を、
上記蒸気ビーム中の蒸発材料粒子の平均自由行程λと、
上記粒子発生源と基体との間の距離Ｈとの比で求められ
るクヌーセン数Ｋ n （λ／Ｈ）がほぼ１になるように所
定時間保持するとともに、上記所定時間経過後上記ガス
の圧力を上記クヌーセン数Ｋ n がほぼ０．１になるよう
に上昇させるようにしたことを特徴とする薄膜形成装
置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06184093A JP3169151B2 (ja) | 1992-10-26 | 1993-03-22 | 薄膜形成装置 |
| US08/128,228 US5525158A (en) | 1992-10-26 | 1993-09-29 | Thin film deposition apparatus |
| DE4336357A DE4336357C2 (de) | 1992-10-26 | 1993-10-25 | Vorrichtung zum Abscheiden einer Dünnschicht |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28745292 | 1992-10-26 | ||
| JP4-287452 | 1992-10-26 | ||
| JP06184093A JP3169151B2 (ja) | 1992-10-26 | 1993-03-22 | 薄膜形成装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06192824A JPH06192824A (ja) | 1994-07-12 |
| JP3169151B2 true JP3169151B2 (ja) | 2001-05-21 |
Family
ID=26402923
Family Applications (1)
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