JP3615801B2

JP3615801B2 - Titanium nitride thin film deposition method

Info

Publication number: JP3615801B2
Application number: JP26887394A
Authority: JP
Inventors: 浩治永谷; 誠一高橋; 雄三樫本; 智保近藤; 水沢　　寧
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1994-11-01
Filing date: 1994-11-01
Publication date: 2005-02-02
Anticipated expiration: 2020-02-02
Also published as: JPH08127870A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、窒化チタン薄膜の成膜方法にかかり、特に半導体及び電子機器の製造工程で基板上に設けられた微細孔を窒化チタン薄膜で埋め込む窒化チタン薄膜成膜方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のデバイスの高集積化に伴って、半導体や電子機器等の製造工程ではデザインルールの微細化や多層配線化が進んできた。このような微細化技術の進展に伴って、高アスペクト比を持つコンタクトホールやスルーホール等に対して金属薄膜等の導電性薄膜を埋め込む技術は重要度を増している。
【０００３】
この埋込技術に関しては、従来から、スパッタリング法やＣＶＤ法が用いられているが、ＣＶＤ法では使用ガスが人間に有害なものが多いため高価なガス設備や除害設備が必要となり、また成膜可能な薄膜の種類も限られているという問題があり、スパッタリング法を改善することで、高アスペクト比の微細孔の埋込みを行おうという考え方が優勢となってきた。
【０００４】
ところで、スパッタリング法による成膜は、真空槽内ターゲットと基板とを対向配置させ、真空状態にした後、スパッタリングガスを導入し、所定圧力下で前記ターゲット側に負電圧を印加して放電を生じさせ、電離されたスパッタガス分子(イオン)をターゲットに入射させ、叩き出されたターゲット表面の粒子を前記基板に堆積させて薄膜を形成する技術である。
【０００５】
しかしながら従来技術のスパッタリング方法では、図４(ａ)に示すように、基板１０１に設けられた微細孔１０２には、ターゲットから叩き出された粒子１０３が種々の方向から入射してしまう。
【０００６】
その結果、図４(ｂ)に示すように、基板に対して斜め方向から入射してきた粒子１０３’が微細孔１０２の開口部付近に堆積してオーバーハング１０４を発生させてしまい、微細孔底部１０５にはほどんど堆積しないシャドウィング効果が起こってしまう。その結果、微細孔底部付近で断線や接続不良が発生し易くなってしまうという問題がある。
【０００７】
このような問題に対して、ターゲットと基板との間に細長い穴を多数設けたフィルタを配置し、基板上に設けられた微細孔に対して垂直に入射する粒子だけが基板に到達するようにしたスパッタ成膜方法(コリメートスパッタ法)が提案されているが、このような方法では、ターゲットから飛出した粒子の大部分がフィルタに付着してしまい、成膜効率が低下する。しかも、フィルタに付着した粒子は薄膜化し、この薄膜が剥がれるとダストとなり、基板上に落ちた場合には歩留が低下するという問題があり、根本的な解決には至っていなかった。
【０００８】
そこで出願人は、基板とターゲットの間の距離を、通常のスパッタリング方法における場合と比較して大きくし、且つ成膜中の雰囲気圧力を１×１０-1Ｐａ以下に保つことでスパッタ粒子の直進性を向上させる、いわゆる低圧スパッタ成膜方法を提案した。この技術によれば、従来のスパッタリング法による微細孔の埋込みに伴う上記の問題を解決し、しかもダストの発生等の問題なしに基板上の微細な穴埋めを有効に実施できるものである。
【０００９】
ところが、基板上に窒化チタン(ＴｉＮ)薄膜を成膜させるために、チタン(Ｔｉ)をターゲットに用い、窒素ガスを反応性ガスとして使用して、前記低圧スパッタ成膜方法により反応性スパッタリングを行なうと、微細孔内の埋込特性(カバレッジ)は良好であるが、微細孔が設けられていない基板表面上の窒化チタン薄膜の膜厚分布が均一とならなかった。この基板表面の窒化チタン薄膜は微細孔内部の窒化チタンと異なり不要であるため、エッチング等により除去する必要があるが、基板表面の膜厚分布の不均一はエッチングむらを引き起こすのでジャストエッチが難しく、オーバーエッチングさせると微細孔内部の窒化チタンもエッチングされてしまう等、不都合が多かった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を改善するために創作されたもので、微細孔内部の良好な埋込特性を維持したまま、基板表面上の薄膜の膜厚分布が均一である窒化チタン薄膜成膜方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、表面に微細孔が形成された基板とチタンターゲットとを真空雰囲気中で、略並行に対向配置させ、前記真空雰囲気内に反応性ガスとして窒素ガスを導入し、前記チタンターゲットをスパッタして前記基板に窒化チタンの薄膜を成膜する窒化チタン薄膜成膜方法であって、前記窒素ガスに流量比で、
１／８≦アルゴンガス／窒素ガス≦１／３
の範囲でアルゴンガスを添加し、成膜中の雰囲気を１×１０^-1Ｐａ以下の圧力に保つことを特徴とする。
【００１２】
この場合に、請求項２の発明は、前記基板と前記チタンターゲットの距離が１００ｍｍ以上３００ｍｍ以下、好ましくは１４０ｍｍ以上２００ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明は、表面に微細孔が形成された基板とチタンターゲットとを真空雰囲気中で、前記微細孔の平均埋込率が３５％以上となるように前記基板と前記チタンターゲットの距離を設定して対向配置させ、前記真空雰囲気内に反応性ガスとして窒素ガスを導入し、前記チタンターゲットをスパッタして前記基板に窒化チタンの薄膜を成膜する窒化チタン薄膜成膜方法であって、前記窒素ガスに流量比で、１／８≦アルゴンガス／窒素ガス≦１／３の範囲でアルゴンガスを添加し、成膜中の雰囲気を１×１０ ^-1 Ｐａ以下の圧力に保つことを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明は、表面に微細孔が形成された基板とチタンターゲットとを真空雰囲気中で、基板表面での成膜速度が３６ｎｍ／ｍｉｎ以上で、且つ、前記微細孔底部での平均埋込率が３５％以上となるように前記基板と前記チタンターゲットの距離を設定して対向配置させ、前記真空雰囲気内に反応性ガスとして窒素ガスを導入し、前記チタンターゲットをスパッタし、前記基板に窒化チタンの薄膜を成膜する窒化チタン薄膜成膜方法であって、前記窒素ガスに流量比で、１／８≦アルゴンガス／窒素ガス≦１／３の範囲でアルゴンガスを添加し、成膜中の雰囲気を１×１０ ^-1 Ｐａ以下の圧力に保つことを特徴とする。
【００１５】
そして、請求項５の発明は、これらの発明に共通して、前記チタンターゲットの裏面に磁石を備えたことを特徴とする。
【００１６】
【作用】
請求項１の発明によれば、表面に微細孔が形成された基板とチタンターゲットとを略並行に対向配置させて真空雰囲気におき、前記真空雰囲気内に反応性ガスとして窒素ガスを導入して前記チタンターゲットをスパッタすると、前記基板に窒化チタンの薄膜が成膜される。
【００１７】
そして、請求項２の発明によれば、基板とチタンターゲットの距離が１００ｍｍ以上３００ｍｍ以下、好ましくは１４０ｍｍ以上２００ｍｍ以下に設定すると、下記 [ 表１ ] より、その距離をパラメータとして微細孔底部の平均埋込率及び成膜速度を表すことができる。
【００１８】
したがって、請求項３の発明によれば、表面に微細孔が形成された基板とチタンターゲットとを真空雰囲気中で、前記微細孔の平均埋込率が３５％以上となるように前記基板と前記チタンターゲットの距離を設定することで、あるいは、請求項４の発明によれば、表面に微細孔が形成された基板とチタンターゲットとを真空雰囲気中で、基板表面での成膜速度が３６ｎｍ／ｍｉｎ以上で、且つ、前記微細孔底部での平均埋込率が３５％以上となるように前記基板と前記チタンターゲットの距離を設定することで、これらの対向配置を整備し、前記真空雰囲気内に反応性ガスとして窒素ガスを導入し、前記チタンターゲットをスパッタすると、前記基板に窒化チタンの薄膜が成膜される。
【００１９】
この成膜の際の圧力を１×１０-1Ｐａ以下の圧力にしておき、前記窒素ガスにアルゴンガスを、流量比で、
１／８≦アルゴンガス／窒素ガス≦１／３
の範囲で添加すれば、良好な埋込特性を維持したまま均一な膜厚分布を有する窒化チタン薄膜(ＴｉＮ)を成膜することができる。
【００２０】
アルゴンガスと窒素ガスの流量比が１／８未満の値では膜厚分布はよくならない。一方、１／３を超える値になるまでアルゴンガスを添加した場合には、膜厚分布は均一であるが、窒化チタン薄膜特有のゴールド色を示さなくなり、窒素の不足から、チタン薄膜と窒化チタン薄膜の中間的色調(黄味がかかった金属色)となり、チタンの多いＴｉ1-xＮx膜が成膜されたことが分かる。このＴｉ1-xＮx膜は、特性が悪く、バリアー膜として使用するには不都合である。
【００２１】
さらに、請求項５の発明によれば、チタンターゲットの裏面に磁石を備えるので、スパッタ時のグロー放電によて発生した電子の移動距離が磁界の無い場合に比べて長くなり、電子がガス分子と衝突する機会が多くなる。このため、雰囲気の電離が促進され、低圧雰囲気での放電が容易となる。これにより、安定的なスパッタ成膜が行われる。
【００２２】
【実施例】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１を参照し、２は本発明に用いた低圧スパッタ装置であり、真空槽３を備えている。該真空槽３は、ガス導入口４と真空排気口３と、ターゲット電極５と基板ホルダー７とを備えている。前記真空排気口３には図示しない真空ポンプが接続されており、前記ターゲット電極５の裏面には、二重の同心円上に配置された磁石１０を有する直径３２０ｍｍのマグネットプレート９が設けられ、前記基板ホルダー７の裏面にはヒータ１１が設けられている。
【００２４】
前記ターゲット電極５には直径３００ｍｍのチタンターゲット４が装着され、前記基板ホルダー７は、直径６インチの基板６を前記チタンターゲット４と対向して装着ができるように構成されており、該基板ホルダー７に基板を装着した場合、該基板と前記チタンターゲット４との距離が１４０ｍｍになるように構成されている。
【００２５】
前記基板６には、深さをａ、底面の径をｅとしたときに、
Ａ／Ｒ＝ａ／ｅ
で定義されるアスペクト比Ａ／Ｒが２の微細孔が設けられており、前記図示しない真空ポンプを起動させ、前記真空槽３を高真空状態にした後、前記ヒータ１１で前記基板６を加熱し、前記ガス導入口４から流量２６ｓｃｃｍの窒素ガスに、アルゴンガスを流量４ｓｃｃｍの割合で添加したスパッタリングガスを導入し(全体の流量は３０ｓｃｃｍ)、排気速度を調節して圧力が５．７×１０-2Ｐａの値で安定するまで待った後、前記ターゲット電極５に接続された直流電源１２により１０ｋＷの電力を投入し、スパッタリングを行ったところ、前記基板６に窒化チタン薄膜が成膜された。
【００２６】
この窒化チタン薄膜の膜厚を、図２に示す基板６の、微細孔が設けられていない表面の９点で測定した。この９点は、基板中心の点Ｐ1の位置を(0,0)とすると、残りの８点は、座標の単位をｍｍとして、Ｐ2(35.00,0)、Ｐ3(70.00,0)、Ｐ4(-35.00,0)、Ｐ5(-70.00,0)、Ｐ6(0,35.00)、Ｐ7(0,70.00)、Ｐ8(0,-35.00)、Ｐ9(0,-70.00)で表わされる。
【００２７】
一つの基板内における前記Ｐ1〜Ｐ9の膜厚を測定し、最大膜厚と最小膜厚を求め、次式、
(膜厚ハ゛ラツキ) ＝ ±(最大膜厚−最小膜厚)／(最大膜厚＋最小膜厚)
から膜厚分布を算出したところ±６．８％であった。この値が小さい方が膜厚分布は良好である。
【００２８】
また、前記膜厚分布を測定した基板を截断し、断面を研磨して前記微細孔１５に埋め込まれた窒化チタン薄膜を観察した。ここで、図３に示すように、前記基板６の表面の窒化チタン薄膜の膜厚ｄと、前記微細孔１５の底面中心付近の膜厚ｃ2と、底面両端付近の膜厚ｃ1、ｃ 3とを測定し、次式、
(平均埋込率) ＝ (ｃ1／ｄ＋ｃ2／ｄ＋ｃ3／ｄ)／３
で定義される平均埋込率を、前記点Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3の３点における測定値から求めたところ、３７％であった。
【００２９】
次に、アスペクト比２の微細孔が設けられており、窒化チタン薄膜が成膜されていない基板を前記基板ホルダー７に装着し、チタンターゲットとの間隔を１４０ｍｍに保ったまま、窒素ガスの流量を２５ｓｃｃｍ、アルゴンガスの流量を８ｓｃｃｍ、成膜圧力を６．５×１０-2Ｐａとして、窒化チタン薄膜を成膜し、同様に膜厚を測定し、膜厚分布と平均埋込率とを求めた。比較例として、アルゴンガスを添加せず、窒素ガスだけでスパッタリングして成膜した窒化チタン薄膜の膜厚を測定し、膜厚分布と平均埋込率とを求めた。
【００３０】
また、基板とチタンターゲットとの距離を１７０ｍｍ、及び２００ｍｍに変え、更にアルゴンガス流量、窒素ガス流量、及び成膜圧力を変え、アスペクト比が２の微細孔を有する別の基板上に窒化チタン薄膜を成膜し、膜厚を測定した。比較例として窒素ガスだけで成膜した窒化チタン薄膜の膜厚も測定した。
【００３１】
これらの成膜条件と、各条件下で成膜した窒化チタン薄膜の基板表面上の膜厚分布と微細孔の平均埋込率とを表１にまとめて記載する。
【００３２】
【表１】

【００３３】
前記表１からわかるように、基板とチタンターゲットとの距離が１４０〜２００ｍｍの範囲で大きいほど膜厚分布は小さく、平均埋込率は大きくなることがわかる。
【００３４】
この場合、従来の反応性スパッタリング方法によるのと同程度の平均埋込率（３５％）を得るためには、表１の実験結果から、基板とチタンターゲットの間の距離が、１４０ｍｍ以上２００ｍｍ以下に設定されることが望ましいことが分かる。
【００３５】
この場合、表１の実験結果から、基板とターゲットとの距離が１４０ｍｍ以上２００ｍｍ以下に設定されることが望ましいことが分かる。
【００３６】
しかしながら基板とチタンターゲット間の距離に着目すると、この距離を大きくすると微細孔底部の成膜速度が低下してしまい、一方、短くした場合でも、実験によると、必ずしも微細孔底部の成膜速度が大きくなるとは限らなかった。従って、距離をパラメーターとして微細孔底部の成膜速度を表した場合、一定の範囲の距離内で、ある極大値が存在する。この極大値と、極大値を与える距離とは、アスペクト比やスパッタ圧力等に影響される。
【００３７】
但し、必ずしも極大値を与える距離でスパッタを行う必要はない。従来のスパッタリング方法によるのと同程度の成膜速度(３６ｎｍ／ｍｉｎ)が得るためには、基板とチタンターゲットの間の距離が、約１００ｍｍから約３００ｍｍの範囲にすればよいことが実験により確認されている。
【００３８】
この場合、表１の実験結果から、基板とターゲットとの距離が１４０mm以上２００ｍｍ以下に設定されることが望ましいことが分かる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、微細孔内の埋込特性が良好で、基板表面の膜厚分布が良好な窒化チタン薄膜を得ることができ、高アスペクト比の微細孔を効率よく埋め込めるので、歩留りが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に使用した低圧スパッタ装置の一例
【図２】窒化チタン薄膜の膜厚の測定点
【図３】微細孔の断面図
【図４】（ａ）従来のスパッタリング方法により薄膜が成膜される状態を示した図（ｂ）シャドウィング効果を示す図
【符号の説明】
４……チタンターゲット６……基板[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a method for forming a titanium nitride thin film, and more particularly to a method for forming a titanium nitride thin film in which fine holes provided on a substrate in a manufacturing process of a semiconductor and an electronic device are embedded with the titanium nitride thin film.
[0002]
[Prior art]
With the recent high integration of devices, the miniaturization of design rules and the formation of multilayer wiring have been advanced in the manufacturing process of semiconductors and electronic devices. Along with the progress of such miniaturization technology, a technology of embedding a conductive thin film such as a metal thin film in a contact hole or a through hole having a high aspect ratio has been gaining importance.
[0003]
Conventionally, sputtering and CVD methods have been used for this embedding technique. However, since many gases are harmful to human beings, the CVD method requires expensive gas equipment and abatement equipment. There is a problem that the types of thin films that can be formed are limited, and the idea of embedding high-aspect-ratio fine holes by improving the sputtering method has become dominant.
[0004]
By the way, in the film formation by the sputtering method, the target in the vacuum chamber and the substrate are arranged to face each other, and after making a vacuum state, a sputtering gas is introduced, and a negative voltage is applied to the target side under a predetermined pressure to generate a discharge. In this technique, ionized sputtering gas molecules (ions) are made incident on a target, and the particles of the knocked target surface are deposited on the substrate to form a thin film.
[0005]
However, in the conventional sputtering method, as shown in FIG. 4A, the particles 103 knocked out of the target enter the micro holes 102 provided in the substrate 101 from various directions.
[0006]
As a result, as shown in FIG. 4B, the particles 103 ′ incident from the oblique direction with respect to the substrate are deposited in the vicinity of the opening of the fine hole 102, and an overhang 104 is generated. 105 has a shadowing effect that hardly accumulates. As a result, there is a problem that disconnection and poor connection are likely to occur near the bottom of the microhole.
[0007]
To solve this problem, a filter having a large number of elongated holes is arranged between the target and the substrate so that only particles that enter perpendicularly to the micropores formed on the substrate reach the substrate. The sputter deposition method (collimated sputtering method) has been proposed, but in such a method, most of the particles flying out from the target adhere to the filter, and the deposition efficiency is lowered. Moreover, the particles adhering to the filter are made into a thin film, and when the thin film is peeled off, it becomes dust, and when it falls on the substrate, there is a problem that the yield is lowered, and the fundamental solution has not been achieved.
[0008]
Therefore, the applicant increases the distance between the substrate and the target as compared with the case of the normal sputtering method, and keeps the atmospheric pressure during film formation at 1 × 10 −1 Pa or less so that the rectilinearity of the sputtered particles. A so-called low-pressure sputter film forming method has been proposed. According to this technique, it is possible to solve the above-mentioned problems associated with embedding fine holes by a conventional sputtering method and to effectively carry out fine hole filling on a substrate without problems such as dust generation.
[0009]
However, in order to form a titanium nitride (TiN) thin film on the substrate, reactive sputtering is performed by the low-pressure sputter deposition method using titanium (Ti) as a target and nitrogen gas as a reactive gas. However, although the embedding property (coverage) in the fine holes is good, the film thickness distribution of the titanium nitride thin film on the substrate surface where the fine holes are not provided is not uniform. This titanium nitride thin film on the surface of the substrate is unnecessary unlike titanium nitride inside the micropores, so it must be removed by etching or the like. However, uneven etching of the film thickness on the surface of the substrate causes uneven etching, so that just etching is difficult. When over-etched, there were many inconveniences such as etching of titanium nitride inside the fine holes.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention was created to remedy the disadvantages of the prior art described above. A titanium nitride thin film composition in which the film thickness distribution on the substrate surface is uniform while maintaining good embedding characteristics inside the micropores. It is to provide a membrane method.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the invention of claim 1 is characterized in that a substrate having a fine hole formed on a surface thereof and a titanium target are arranged to face each other substantially in parallel in a vacuum atmosphere, and as a reactive gas in the vacuum atmosphere. A method of forming a titanium nitride thin film by introducing nitrogen gas and sputtering the titanium target to form a titanium nitride thin film on the substrate, the flow rate ratio of the nitrogen gas being
1/8 ≦ Argon gas / Nitrogen gas ≦ 1/3
In this range, argon gas is added, and the atmosphere during film formation is maintained at a pressure of 1 × 10 ⁻¹ Pa or less.
[00 12 ]
In this case, the invention of claim 2 is characterized in that a distance between the substrate and the titanium target is 100 mm or more and 300 mm or less, preferably 140 mm or more and 200 mm or less .
[00 13 ]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a distance between the substrate and the titanium target so that an average embedding ratio of the micropores is 35% or more in a vacuum atmosphere between the substrate having a micropore formed on the surface and the titanium target. A titanium nitride thin film forming method in which nitrogen gas is introduced as a reactive gas into the vacuum atmosphere, and the titanium target is sputtered to form a titanium nitride thin film on the substrate. The argon gas is added to the nitrogen gas in a flow ratio of 1/8 ≦ argon gas / nitrogen gas ≦ 1/3, and the atmosphere during film formation is maintained at a pressure of 1 × 10 ⁻¹ Pa or less. Features.
[00 14 ]
According to the invention of claim 4, the substrate having a fine hole formed on the surface and the titanium target are in a vacuum atmosphere, the film formation rate on the substrate surface is 36 nm / min or more, and the average filling at the bottom of the fine hole is performed. A distance between the substrate and the titanium target is set so as to be 35% or higher, a nitrogen gas is introduced as a reactive gas into the vacuum atmosphere, the titanium target is sputtered, and the substrate A titanium nitride thin film forming method for forming a titanium nitride thin film in which argon gas is added to the nitrogen gas in a flow ratio of 1/8 ≦ argon gas / nitrogen gas ≦ 1/3. The atmosphere in the film is maintained at a pressure of 1 × 10 ⁻¹ Pa or less .
[00 15 ]
The invention of claim 5 is characterized in that, in common with these inventions, a magnet is provided on the back surface of the titanium target .
[00 16 ]
[Action]
According to the first aspect of the present invention, a substrate having a fine hole formed on the surface and a titanium target are arranged to face each other substantially in parallel and placed in a vacuum atmosphere, and nitrogen gas is introduced into the vacuum atmosphere as a reactive gas. When the titanium target is sputtered, a titanium nitride thin film is formed on the substrate.
[00 17 ]
According to the invention of claim 2, when the distance between the substrate and the titanium target is set to 100 mm or more and 300 mm or less, preferably 140 mm or more and 200 mm or less, from the following [ Table 1 ] , the average of the fine hole bottoms using the distance as a parameter. The embedding rate and the deposition rate can be expressed.
[00 18 ]
Therefore, according to the invention of claim 3, the substrate and the titanium target formed on the surface and the titanium target are placed in a vacuum atmosphere so that the average embedding rate of the micropores is 35% or more. By setting the distance of the titanium target, or according to the invention of claim 4, the deposition rate on the surface of the substrate is 36 nm / min in a vacuum atmosphere between the substrate having a fine hole formed on the surface and the titanium target. By setting the distance between the substrate and the titanium target so that the average embedding rate at the bottom of the fine hole is 35% or more at a minimum of min or more, these opposing arrangements are maintained, and the inside of the vacuum atmosphere is maintained. When nitrogen gas is introduced as a reactive gas and the titanium target is sputtered, a thin film of titanium nitride is formed on the substrate.
[00 19 ]
The pressure at the time of this film formation is set to a pressure of 1 × 10 −1 Pa or less, argon gas is added to the nitrogen gas at a flow rate ratio,
1/8 ≦ Argon gas / Nitrogen gas ≦ 1/3
If added in this range, a titanium nitride thin film (TiN) having a uniform film thickness distribution can be formed while maintaining good embedding characteristics.
[00 20 ]
If the flow ratio of argon gas to nitrogen gas is less than 1/8, the film thickness distribution will not be improved. On the other hand, when argon gas is added until the value exceeds 1/3, the film thickness distribution is uniform, but the gold color peculiar to the titanium nitride thin film is not exhibited, and the titanium thin film and the titanium nitride are lost due to the lack of nitrogen. It can be seen that a Ti1-xNx film rich in titanium was formed with an intermediate color tone (yellowish metallic color) of the thin film. This Ti1-xNx film has poor characteristics and is inconvenient for use as a barrier film.
[00 21 ]
Further, according to the invention of claim 5, since the magnet is provided on the back surface of the titanium target, the moving distance of the electrons generated by the glow discharge at the time of sputtering becomes longer than that without a magnetic field, and the electrons are gas molecules. There are many opportunities to collide with. For this reason, the ionization of the atmosphere is promoted, and the discharge in the low pressure atmosphere becomes easy. Thereby, stable sputter film formation is performed.
[00 22 ]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[00 23 ]
Referring to FIG. 1, reference numeral 2 denotes a low-pressure sputtering apparatus used in the present invention, which includes a vacuum chamber 3. The vacuum chamber 3 includes a gas introduction port 4, a vacuum exhaust port 3, a target electrode 5, and a substrate holder 7. A vacuum pump (not shown) is connected to the vacuum exhaust port 3, and a magnet plate 9 having a diameter of 320 mm having magnets 10 arranged on a double concentric circle is provided on the back surface of the target electrode 5. A heater 11 is provided on the back surface of the substrate holder 7.
[00 24 ]
A titanium target 4 having a diameter of 300 mm is mounted on the target electrode 5, and the substrate holder 7 is configured so that a substrate 6 having a diameter of 6 inches can be mounted facing the titanium target 4. When a substrate is mounted on 7, the distance between the substrate and the titanium target 4 is 140 mm.
[00 25 ]
The substrate 6 has a depth a and a bottom diameter e,
A / R = a / e
Are provided with fine holes having an aspect ratio A / R of 2 and the vacuum pump (not shown) is activated to bring the vacuum chamber 3 into a high vacuum state, and then the substrate 6 is heated by the heater 11. Then, a sputtering gas in which argon gas is added at a rate of 4 sccm is introduced into the nitrogen gas at a flow rate of 26 sccm from the gas inlet 4 (the overall flow rate is 30 sccm), and the pressure is 5.7 × by adjusting the exhaust speed. After waiting until it became stable at a value of 10 −2 Pa, 10 kW of power was supplied from the DC power source 12 connected to the target electrode 5 and sputtering was performed. As a result, a titanium nitride thin film was formed on the substrate 6.
[00 26 ]
The film thickness of the titanium nitride thin film was measured at nine points on the surface of the substrate 6 shown in FIG. These nine points are P2 (35.00,0), P3 (70.00,0), P4 (where the coordinate unit is mm, assuming that the position of the center point P1 of the substrate is (0,0). -35.00,0), P5 (-70.00,0), P6 (0,35.00), P7 (0,70.00), P8 (0, -35.00), P9 (0, -70.00).
[00 27 ]
The film thicknesses of P1 to P9 in one substrate are measured, and the maximum film thickness and the minimum film thickness are obtained.
(Thickness variation) = ± (maximum film thickness-minimum film thickness) / (maximum film thickness + minimum film thickness)
The film thickness distribution was calculated from 6.8%. The smaller this value, the better the film thickness distribution.
[00 28 ]
Further, the substrate on which the film thickness distribution was measured was cut, the cross section was polished, and the titanium nitride thin film embedded in the fine holes 15 was observed. Here, as shown in FIG. 3, and the thickness d of the titanium nitride thin film on the surface of the substrate 6, and the thickness c2 of the vicinity of the bottom surface center of the fine holes 15, the thickness c1,

c

3 in the vicinity of the bottom ends Measure the following formula,
(Average embedding rate) = (c1 / d + c2 / d + c3 / d) / 3
The average embedding rate defined by the above was 37% when determined from the measured values at the three points P1, P2 and P3.
[00 29 ]
Next, a substrate having a fine hole with an aspect ratio of 2 and having no titanium nitride thin film formed thereon is mounted on the substrate holder 7 and the flow rate of nitrogen gas is kept at 140 mm with the titanium target. 25 sccm, the flow rate of argon gas is 8 sccm, the deposition pressure is 6.5 × 10 −2 Pa, a titanium nitride thin film is formed, the thickness is measured in the same manner, and the thickness distribution and average filling rate are obtained. It was. As a comparative example, the film thickness of a titanium nitride thin film formed by sputtering only with nitrogen gas without adding argon gas was measured, and the film thickness distribution and the average filling rate were obtained.
[00 30 ]
Further, the distance between the substrate and the titanium target is changed to 170 mm and 200 mm, and the argon gas flow rate, the nitrogen gas flow rate, and the film forming pressure are changed, and the titanium nitride thin film is formed on another substrate having micropores with an aspect ratio of 2. The film thickness was measured. As a comparative example, the thickness of a titanium nitride thin film formed only with nitrogen gas was also measured.
[00 31 ]
Table 1 summarizes these film formation conditions, the film thickness distribution on the substrate surface of the titanium nitride thin film formed under each condition, and the average embedding rate of the fine holes.
[00 32 ]
[Table 1]

[00 33 ]
As can be seen from Table 1, it can be seen that the larger the distance between the substrate and the titanium target is in the range of 140 to 200 mm, the smaller the film thickness distribution and the higher the average embedding rate.
[00 34 ]
In this case, in order to obtain an average filling ratio (35%) similar to that obtained by the conventional reactive sputtering method, the distance between the substrate and the titanium target is 140 mm or more and 200 mm or less from the experimental results shown in Table 1. It can be seen that it is desirable to set to.
[00 35 ]
In this case, it can be seen from the experimental results in Table 1 that the distance between the substrate and the target is preferably set to 140 mm or more and 200 mm or less .
[00 36 ]
However, paying attention to the distance between the substrate and the titanium target, if this distance is increased, the film formation speed at the bottom of the fine hole is reduced. It did not always grow. Therefore, when the film formation speed at the bottom of the fine hole is expressed using the distance as a parameter, a certain maximum value exists within a certain range of distance. The maximum value and the distance giving the maximum value are affected by the aspect ratio, the sputtering pressure, and the like.
[00 37 ]
However, it is not always necessary to perform sputtering at a distance giving a maximum value. Experiments have confirmed that the distance between the substrate and the titanium target should be in the range of about 100 mm to about 300 mm in order to obtain a film formation rate (36 nm / min) comparable to that of the conventional sputtering method. Has been.
[00 38 ]
In this case, it can be seen from the experimental results in Table 1 that the distance between the substrate and the target is preferably set to 140 mm or more and 200 mm or less .
[00 39 ]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to obtain a titanium nitride thin film with good embedding characteristics in the micropores and with a good film thickness distribution on the substrate surface, and it is possible to efficiently embed micropores with a high aspect ratio. improves.
[Brief description of the drawings]
1 is an example of a low-pressure sputtering apparatus used in the present invention. FIG. 2 is a measurement point of the thickness of a titanium nitride thin film. FIG. 3 is a cross-sectional view of a microhole. Figure showing the state of film formation (b) Figure showing the shadowing effect
4 ... Titanium target 6 ... Substrate

Claims

A substrate having a fine hole formed on the surface and a titanium target are arranged to face each other substantially in parallel in a vacuum atmosphere, nitrogen gas is introduced into the vacuum atmosphere as a reactive gas, and the titanium target is sputtered to form the substrate. A titanium nitride thin film forming method for forming a titanium nitride thin film in which argon gas is added to the nitrogen gas in a flow ratio of 1/8 ≦ argon gas / nitrogen gas ≦ 1/3. A method for forming a titanium nitride thin film, wherein the atmosphere in the film is maintained at a pressure of 1 × 10 ⁻¹ Pa or less.

2. The titanium nitride thin film forming method according to claim 1, wherein a distance between the substrate and the titanium target is 100 mm to 300 mm, preferably 140 mm to 200 mm.

A substrate having a fine hole formed on the surface thereof and a titanium target are placed in a vacuum atmosphere so as to face each other by setting a distance between the substrate and the titanium target so that an average filling rate of the fine holes is 35% or more. A method of forming a titanium nitride thin film by introducing nitrogen gas as a reactive gas into the vacuum atmosphere and sputtering the titanium target to form a titanium nitride thin film on the substrate, wherein the flow rate ratio to the nitrogen gas is Then, argon gas was added in the range of 1/8 ≦ argon gas / nitrogen gas ≦ 1/3, and the atmosphere during film formation was 1 × 10. ^-1-1 A titanium nitride thin film forming method, characterized by maintaining a pressure of Pa or lower.

A substrate having a fine hole formed on the surface and a titanium target in a vacuum atmosphere have a film formation rate of 36 nm / min or more on the substrate surface, and an average filling rate of 35% or more at the bottom of the fine hole. A distance between the substrate and the titanium target is set so as to face each other, nitrogen gas is introduced as a reactive gas in the vacuum atmosphere, the titanium target is sputtered, and a titanium nitride thin film is formed on the substrate. A titanium nitride thin film forming method for forming a film, wherein argon gas is added to the nitrogen gas in a flow ratio of 1/8 ≦ argon gas / nitrogen gas ≦ 1/3, and the atmosphere during film formation is 1 × 10 ^-1-1 A titanium nitride thin film forming method, characterized by maintaining a pressure of Pa or lower.

The titanium nitride thin film forming method according to any one of claims 1 to 4, wherein a magnet is provided on a back surface of the titanium target.