JP3395286B2 - Sputtering equipment - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置またはその
他の製品における薄膜の製造プロセスで用いられるスパ
ッタ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】素子の微細化にともない、半導体装置の
配線の信頼性を向上させることは困難になっている。デ
バイスの高速動作および高集積化にともない微細な配線
に流れる電流密度は大きくなり、特にエレクトロマイグ
レーション（以下ＥＭと略記する）耐性を確保する必要
が生じている。現在、配線材料としてはアルミニウム−
シリコン−銅合金、アルミニウム−シリコン合金等のア
ルミニウム系合金が多く用いられている。
【０００３】しかし、上記のようなアルミニウム系合金
からなる配線では、ＥＭ耐性を十分に確保することがで
きない。例えば、０．３μｍ程度の配線において、配線
形成後、通常の製造プロセスで、上記配線上に絶縁膜が
被覆されることと、さらにその後の製造プロセスで熱が
加わることによって、当該配線にはストレスが加わる。
この結果、配線にボイドが発生する。ボイドが発生して
いる状態で当該配線に高電流が印加されると、ボイドに
電流が集中して、その部分で断線が発生する。すなわ
ち、ストレスマイグレーション（以下ＳＭと略記する）
が発生する。
【０００４】一般には、ＥＭとＳＭとの複合モードで配
線の信頼性は低下する。このように、配線材料としての
アルミニウム系合金には、限界が見えてきた。
【０００５】そこで、上記アルミニウム系合金からなる
配線よりも信頼性を向上させた配線材料として、銅配線
が提案されている。銅の抵抗率は１．７２μΩｃｍであ
り、アルミニウムの抵抗率（２．４７μΩｃｍ）よりも
低い。このため、銅配線は優れたＥＭ耐性を有する。通
常、銅の成膜方法としては、従来スパッタ法、ＭＯＣＶ
Ｄ法等が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記ＭＯＣＶＤ法で
は、ソース源に例えばビスヘキサフルオロアセチルアセ
トネート銅（Bishexafluoro acetylacetonate copp
er）を用いて、成膜を行う。しかしながら、上記ソース
源は、室温では固体でかつ安定性が低いため、量産に用
いることには向かない。上記従来スパッタ法では、微細
デバイスの段差を十分に覆うことが困難である。すなわ
ち、段差部で十分なカバリッジが得られない。
【０００７】本発明は、段差部におけるカバリッジに優
れたスパッタ法を実現するスパッタ装置を提供すること
を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するためになされたスパッタ装置である。
【０００９】本発明のスパッタ装置は、所定の真空度に
保持される反応室が備えられている。この反応室内に
は、空間を介してターゲット電極と基板電極とがほぼ対
向した状態に設置されている。またターゲット電極には
ターゲット用電源が接続されていて、基板電極には基板
電極用電源が接続されている。さらにターゲット電極と
は反対側の基板電極近傍にはプラズマ発生器が設けられ
ている。このプラズマ発生器には高周波電源が接続され
ている。上記プラズマ発生器は、例えば渦巻き状コイル
で形成されている。
【００１０】
【作用】本発明のスパッタ装置では、ターゲット電極と
は反対側の基板電極近傍にはプラズマ発生器が設けられ
ていることから、プラズマ発生器でプラズマの制御が行
える。そして基板電極に印加するバイアスを制御するこ
とでスパッタエネルギーの制御が行える。上記プラズマ
発生器は渦巻き状コイルとそれに接続した高周波電源と
で構成されているとから、装置構成が簡単な構成にな
る。
【００１１】
【実施例】本発明のスパッタ装置は、一例として、図１
の概略構成図に示すスパッタ装置２で実現される。この
スパッタ装置２について、以下に説明する。
【００１２】図１に示すように、スパッタ装置２には反
応室１１が備えられている。この反応室１１内は所定の
真空度に保持されるように、スパッタガスの導入部１２
と排気部１３が設けられている。上記排気部１３には図
示しない排気装置が接続される。
【００１３】上記反応室１１の内部にはターゲット電極
１４が設置されている。このターゲット電極１４の裏面
側には、通常の対向電極型スパッタ装置と同様に、中央
部にＮ極を配設しその側周側にＳ極を配設した磁石１５
が設けられている。この磁石１５の配置は一例であっ
て、図示した配置に限定されない。そして、上記ターゲ
ット電極１４にはターゲット用電源１６が接続されてい
る。またターゲット電極１４と磁石１５との間には、冷
媒（例えば冷却水）を流す流路１７が形成されている。
【００１４】上記反応室１１の内部には、空間１８を介
して上記ターゲット電極１４に対してほぼ対向した状態
に基板電極１９が設けられている。上記基板電極１９に
は基板電極用電源２０が接続されている。
【００１５】上記ターゲット電極１４とは反対側の上記
基板電極１９の近傍には、プラズマ発生器４１を構成す
る渦巻き状コイル４２が設けられている。この渦巻き状
コイル４２には高周波電源４３が接続されている。
【００１６】上記スパッタ装置２では、プラズマ発生器
４１が設けられていることから、プラズマ発生器４１で
プラズマの制御が行える。そして基板電極１９に印加す
るバイアス電力を制御することでスパッタエネルギーの
制御が行える。またプラズマ発生器４１は渦巻き状コイ
ル４２とそれに接続した高周波電源４３とで構成されて
いることから、装置構成が複雑にならない。
【００１７】上記スパッタ装置２を用いて基板７１に例
えば銅の薄膜を成膜する場合には、以下の様に、諸条件
を設定すればよい。
【００１８】例えば、スパッタガスには流量が４０ｓｃ
ｃｍのアルゴン（Ａｒ）を用いる。スパッタ雰囲気の圧
力は、例えば０．４７Ｐａに設定する。またターゲット
電極１４の温度は例えば２００℃に設定する。
【００１９】渦巻き状コイル４２に印加する高周波電力
は例えば１ｋＷ程度に設定して、反応室１１内の空間１
８に例えばプラズマ密度が１０12／ｃｍ3 程度の高密度
プラズマを発生させる。それとともに、ターゲット電極
１４に例えば１０ｋＷ程度の直流電力を印加し、基板電
極１９に例えば１００Ｗ程度バイアス電力を印加する。
【００２０】すると上記プラズマ発生器４１によって、
上記空間１８にアルゴンのプラズマイオン（図示せず）
が生成される、そしてアルゴンのプラズマイオンは高エ
ネルギーで上記ターゲット電極１４に当たり、ターゲッ
ト電極１４より銅のスパッタ粒子（図示せず）を放出さ
せる。このとき、基板電極１９には、スパッタ粒子とと
もにアルゴンのプラズマイオンが入射されるが、基板電
極１９に印加されるバイアスが小さいため、アルゴンの
プラズマイオンは堆積される銅に取り込まれることがほ
とんどない。このようにして、基板電極１９上に載置し
た基板７１に銅の薄膜（図示せず）が形成される。
【００２１】上記スパッタ装置２を用いたスパッタ方法
では、プラズマ発生器４１で空間１８に発生させたアル
ゴンのプラズマイオン（図示せず）をターゲット電極１
４に高エネルギーで当てて、銅のスパッタ粒子（図示せ
ず）を放出させるとともに、基板電極１９側に銅のスパ
ッタ粒子とともにアルゴンのプラズマイオンを低バイア
スで入射させて、基板電極１９に取りつけた基板７１に
薄膜（図示せず）を形成する。
【００２２】このため、アルゴンのプラズマイオンの制
御とスパッタエネルギーの制御とを個々に行うことがで
きるので、アルゴンのプラズマイオンの発生効率が高く
なるとともに、基板７１側を低バイアスにすることで入
射エネルギーが低くなる。
【００２３】その結果、成膜される薄膜（図示せず）の
内部に取り込まれるアルゴンのプラズマイオンが少なく
なるので銅の薄膜の密度は高まる。そして、銅の薄膜の
抵抗値は低くなるので、その銅の薄膜で形成した配線の
ＥＭ耐性は向上する。したがって、配線の信頼性が向上
する。またシリコン基板上では銅はエピタキシャル成長
するので、単結晶性の銅の薄膜が得られる。さらに、銅
の薄膜のカバリッジ性は高くなる。
【００２４】上記説明では、銅の薄膜を成膜する場合に
ついて説明したが、例えばアルミニウム系金属膜を成膜
する場合にも適用することが可能である。この場合に
は、通常のバイアススパッタ装置で成膜する場合より、
形成されるアルミニウム系金属膜の内部に取り込まれる
アルゴンの量が１／１０程度になる。すなわち、アルゴ
ンの量が０．数％程度になる。したがって、ＥＭ耐性の
向上が図れるので、上記実施例で説明したスパッタ装置
２は、アルミニウム系金属膜の成膜にも大変有効なスパ
ッタ装置である。
【００２５】次に上記スパッタ装置２を用いて段差部を
覆う状態に銅膜を成膜した場合を、図２で説明する。図
に示すように、基板１０１上には、パターン１０２，１
０３が形成されている。このパターン１０２，１０３を
覆う状態に、上記図１で説明したスパッタ装置２を用い
て、銅膜１０４を成膜する。その結果、成膜された銅膜
１０４は、カバリッジ性に優れていて、その表面はなだ
らかな面に形成される。
【００２６】上記スパッタ装置２は、マルチチャンバ形
式の装置に組み込むことも可能である。
【００２７】上記実施例の説明で用いた数値は一例であ
って、その値に限定されることはない。また上記各実施
例の説明では、銅の薄膜の成膜する場合、アルミニウム
系金属膜を成膜する場合等について説明したが、他の金
属膜、絶縁膜、半導体膜等を成膜することも可能であ
る。
【００２８】
【発明の効果】以上、説明したように本発明のスパッタ
装置によれば、ターゲット電極とは反対側の基板電極近
傍にはプラズマ発生器を設けたので、プラズマ発生器で
独立的 にプラズマの制御ができる。したがって、プラズ
マの制御とスパッタエネルギーの制御とが別々に行うこ
とができる。それによって、プラズマ発生器で空間に発
生させた不活性ガスのプラズマイオンをターゲット電極
に高エネルギーで当ててスパッタ粒子を放出させるとと
もに、基板電極側にスパッタ粒子とともにプラズマイオ
ンを低バイアスで入射させて、基板電極上に載置した基
板に薄膜を形成することができる。また、プラズマイオ
ンの発生効率を高くすることができるとともに、基板側
を低バイアスにして入射エネルギーを低くすることがで
きる。したがって、成膜される薄膜の内部に取り込まれ
るプラズマイオンが少なくなるので薄膜の密度が高まる
ので、膜質の向上とともに薄膜のカバリッジ性の向上を
図ることができる。また、上記プラズマ発生器は渦巻き
状コイルとそれに接続した高周波電源とで構成されるの
で、装置構成が簡単になる。 BACKGROUND OF THE INVENTION [0001] Field of the Invention The present invention, spa to be used in the manufacturing process of the thin film in a semiconductor device or other products
The present invention relates to a printer device . 2. Description of the Related Art With miniaturization of elements, it has become difficult to improve the reliability of wiring of a semiconductor device. As the device operates at higher speeds and with higher integration, the density of current flowing in fine wiring increases, and it is necessary to ensure resistance to electromigration (hereinafter abbreviated as EM). At present, the wiring material is aluminum-
Aluminum alloys such as a silicon-copper alloy and an aluminum-silicon alloy are often used. [0003] However, the wiring made of the above-mentioned aluminum-based alloy cannot ensure sufficient EM resistance. For example, in a wiring of about 0.3 μm, after the wiring is formed, an insulating film is coated on the wiring in a normal manufacturing process, and heat is applied in a subsequent manufacturing process, so that the wiring is stressed. Is added.
As a result, voids occur in the wiring. When a high current is applied to the wiring in a state in which a void is generated, the current is concentrated on the void, and disconnection occurs in that portion. That is, stress migration (hereinafter abbreviated as SM)
Occurs. In general, the reliability of wiring is reduced in a combined mode of EM and SM. Thus, aluminum alloys as wiring materials have reached their limits. [0005] Therefore, copper wiring has been proposed as a wiring material having higher reliability than the wiring made of the aluminum-based alloy. The resistivity of copper is 1.72 μΩcm, which is lower than the resistivity of aluminum (2.47 μΩcm). Therefore, the copper wiring has excellent EM resistance. Usually, as a copper film forming method, a conventional sputtering method, MOCV
The D method and the like have been proposed. [0006] In the above MOCVD method, for example, copper bishexafluoroacetylacetonate copper (Bixexafluoroacetylacetonate copper) is used as a source.
er) to form a film. However, the above source is not suitable for mass production because it is solid and has low stability at room temperature. In the above-mentioned conventional sputtering method, it is difficult to sufficiently cover the steps of the fine device. That is, sufficient coverage cannot be obtained at the step. An object of the present invention is to provide a sputtering apparatus which realizes a sputtering method excellent in coverage at a step. [0008] The present invention is a sputtering apparatus made to achieve the above object. The sputtering apparatus of the present invention is provided with a reaction chamber maintained at a predetermined degree of vacuum. In the reaction chamber, the target electrode and the substrate electrode are installed so as to be substantially opposed to each other via a space. A power supply for the target is connected to the target electrode, and a power supply for the substrate electrode is connected to the substrate electrode. Further, a plasma generator is provided near the substrate electrode opposite to the target electrode. A high-frequency power supply is connected to the plasma generator. The plasma generator is formed of, for example, a spiral coil. In the sputtering apparatus according to the present invention, the target electrode
Is provided with a plasma generator near the opposite substrate electrode.
Control of the plasma by the plasma generator
I can. Then, it is necessary to control the bias applied to the substrate electrode.
Thus, the sputtering energy can be controlled. The above plasma
The generator consists of a spiral coil and a high-frequency power supply connected to it.
Configuration, the device configuration can be simplified.
You. FIG. 1 shows a sputtering apparatus according to the present invention.
Is realized by the sputtering apparatus 2 shown in the schematic configuration diagram of FIG. The sputtering device 2 will be described below. As shown in FIG. 1 , the sputtering apparatus 2 is provided with a reaction chamber 11. The inside of the reaction chamber 11 is maintained at a predetermined degree of vacuum so that a sputter gas introduction section 12 is provided.
And an exhaust unit 13 are provided. An exhaust device (not shown) is connected to the exhaust unit 13. A target electrode 14 is provided inside the reaction chamber 11. On the back side of the target electrode 14, a magnet 15 having an N pole disposed in the center and an S pole disposed on the side periphery thereof, similarly to a normal counter electrode type sputtering apparatus.
Is provided. The arrangement of the magnets 15 is an example and is not limited to the illustrated arrangement. A power supply 16 for the target is connected to the target electrode 14. A flow path 17 for flowing a coolant (for example, cooling water) is formed between the target electrode 14 and the magnet 15. A substrate electrode 19 is provided inside the reaction chamber 11 so as to be substantially opposed to the target electrode 14 via a space 18. The substrate electrode 19 is connected to a substrate electrode power supply 20. In the vicinity of the substrate electrode 19 on the opposite side of the target electrode 14, a spiral coil 42 constituting a plasma generator 41 is provided. A high frequency power supply 43 is connected to the spiral coil 42. In the sputtering apparatus 2, since the plasma generator 41 is provided, the plasma can be controlled by the plasma generator 41. By controlling the bias power applied to the substrate electrode 19, the sputter energy can be controlled. Further, since the plasma generator 41 is composed of the spiral coil 42 and the high frequency power supply 43 connected thereto, the configuration of the apparatus is not complicated. When a thin film of, for example, copper is formed on the substrate 71 using the sputtering apparatus 2, various conditions may be set as follows . For example, the flow rate of the sputtering gas is 40 sc
cm of argon (Ar) is used. The pressure of the sputtering atmosphere is set to, for example, 0.47 Pa. The temperature of the target electrode 14 is set to, for example, 200 ° C. The high frequency power applied to the spiral coil 42 is set to, for example, about 1 kW, and the space 1 in the reaction chamber 11 is set.
In step 8, high-density plasma having a plasma density of about 10 12 / cm 3 is generated. At the same time, a DC power of, for example, about 10 kW is applied to the target electrode 14, and a bias power of, for example, about 100 W is applied to the substrate electrode 19. Then, by the plasma generator 41,
Argon plasma ions (not shown) in the space 18
Is generated, and the plasma ions of argon strike the target electrode 14 at high energy, and emit sputtered copper particles (not shown) from the target electrode 14. At this time, the plasma ions of argon are incident on the substrate electrode 19 together with the sputtered particles. However, since the bias applied to the substrate electrode 19 is small, the plasma ions of argon are hardly taken into the deposited copper. . In this manner, a copper thin film (not shown) is formed on the substrate 71 placed on the substrate electrode 19. [0021] The sputtering apparatus in the sputtering method using a 2, a plasma generator 4 1 of argon was generated in the space 18 plasma ions (not shown) the target electrode 1
4 was irradiated with high energy to emit copper sputtered particles (not shown), and argon plasma ions together with the copper sputtered particles were made incident on the substrate electrode 19 side with a low bias to be attached to the substrate electrode 19. A thin film (not shown) is formed on the substrate 71. Therefore, the control of the plasma ions of argon and the control of the sputtering energy can be individually performed, so that the generation efficiency of the plasma ions of argon is increased and the incidence of the plasma is reduced by lowering the bias on the substrate 71 side. Energy is low. As a result, the density of the copper thin film is increased because the number of argon plasma ions taken into the thin film (not shown) to be formed is reduced. Then, since the resistance value of the copper thin film is reduced, the EM resistance of the wiring formed of the copper thin film is improved. Therefore, the reliability of the wiring is improved. Further, since copper is epitaxially grown on the silicon substrate, a single-crystal copper thin film can be obtained. Furthermore, the coverage of the copper thin film is enhanced. In the above description, a case where a copper thin film is formed has been described. However, the present invention can also be applied to a case where an aluminum-based metal film is formed. In this case, compared to the case where a film is formed by a normal bias sputtering apparatus,
The amount of argon taken in the formed aluminum-based metal film becomes about 1/10. That is, when the amount of argon is 0.1. It is about several percent. Therefore, since the EM resistance can be improved, the sputtering apparatus described in the above embodiment can be used.
Reference numeral 2 denotes a sputtering apparatus which is very effective for forming an aluminum-based metal film. [0025] Then the case of forming a copper film to cover the stepped portion by using the sputtering apparatus 2, will be described in FIG. As shown in the figure, patterns 102, 1 are formed on a substrate 101.
03 is formed. A copper film 104 is formed using the sputtering apparatus 2 described with reference to FIG. 1 so as to cover the patterns 102 and 103. As a result, the formed copper film 104 has excellent coverage, and its surface is formed as a gentle surface. The sputtering apparatus 2 can be incorporated in a multi-chamber type apparatus. The numerical values used in the description of the above embodiment are merely examples, and are not limited to those values. Further, in the description of each of the above embodiments, the case where a copper thin film is formed, the case where an aluminum-based metal film is formed, and the like are described. However, other metal films, insulating films, semiconductor films, and the like may be formed. It is possible. As described above, the sputtering of the present invention
According to the apparatus , near the substrate electrode opposite to the target electrode
A plasma generator was set up next to it.
The plasma can be controlled independently . Therefore, the plasm
Control of sputtering and control of sputtering energy separately.
Can be. In this way, the plasma ions of the inert gas generated in the space by the plasma generator are irradiated with high energy to the target electrode to emit sputter particles, and the plasma ions are incident on the substrate electrode side together with the sputter particles at a low bias. In addition, a thin film can be formed on a substrate placed on a substrate electrode . Further, it is possible to increase the generation efficiency of the plasma ions, it is possible to decrease the incident energy to the substrate side to a low bias. Therefore, since the increased density of the thin film because the plasma ions taken into the thin film formed is reduced, it is possible to improve the coverage of the thin film with the film quality improvements. In addition, the above plasma generator is swirled
And a high frequency power supply connected to it.
This simplifies the device configuration.
【図面の簡単な説明】 【図１】本発明のスパッタ装置の概略構成図である。 【図２】成膜例の説明図である。 【符号の説明】 ２ スパッタ装置 １１ 反応室 １４ ターゲット電極 １６ ターゲット用電源 １８ 空間 １９ 基板電極 ２０ 基板電極用電源 ４１ プラズマ発生器 ４２ 渦巻き状コイル ４３ 高周波電源[Brief description of the drawings] FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a sputtering apparatus of the present invention. FIG. 2 is an explanatory diagram of a film formation example. [Explanation of symbols] 2 Sputtering equipment 11 Reaction chamber 14 Target electrode 16 Target power supply 18 Space 19 Substrate electrode 20 Power supply for substrate electrode 41 Plasma Generator 42 Spiral coil 43 High frequency power supply
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58 H01L 21/203 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) C23C 14/00-14/58 H01L 21/203
Claims (1)
を介してほぼ対向した状態に設けた基板電極と、 前記基板電極に接続した基板電極用電源と、 前記ターゲット電極とは反対側の前記基板電極近傍に設
けたプラズマ発生器とからなる スパッタ装置において、 前記プラズマ発生器は渦巻き状コイルと当該渦巻き状コ
イルに接続された高周波電源とで構成されていることを
特徴とするスパッタ装置。(57) and Patent Claims 1. A reaction chamber is maintained at a predetermined degree of vacuum, and a target electrode provided on the reaction chamber, and a target power supply connected to the target electrode, the reaction chamber And the space with respect to the target electrode
A substrate electrode provided in a state substantially facing the substrate electrode, a power supply for the substrate electrode connected to the substrate electrode, and a substrate electrode provided near the substrate electrode on the side opposite to the target electrode.
A sputter apparatus comprising: a digitized plasma generator; wherein the plasma generator includes a spiral coil and a high-frequency power supply connected to the spiral coil.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25256193A JP3395286B2 (en) | 1993-09-14 | 1993-09-14 | Sputtering equipment |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP25256193A JP3395286B2 (en) | 1993-09-14 | 1993-09-14 | Sputtering equipment |
Publications (2)
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|---|---|
| JPH0790574A JPH0790574A (en) | 1995-04-04 |
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| JP25256193A Expired - Lifetime JP3395286B2 (en) | 1993-09-14 | 1993-09-14 | Sputtering equipment |
Country Status (1)
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Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
| US6077402A (en) * | 1997-05-16 | 2000-06-20 | Applied Materials, Inc. | Central coil design for ionized metal plasma deposition |
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1993
- 1993-09-14 JP JP25256193A patent/JP3395286B2/en not_active Expired - Lifetime
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