JP3699625B2

JP3699625B2 - 基材の配線形成方法

Info

Publication number: JP3699625B2
Application number: JP2000030422A
Authority: JP
Inventors: 直明小榑; 邦明堀江; 隆男加藤
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2000-02-08
Filing date: 2000-02-08
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2020-02-08
Also published as: JP2001223181A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は２極式直流マグネトロンスパッタリングによって、基材の表面に形成した微細な凹みを導電材料によって被膜又は埋込んで配線を形成する基材の配線形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体配線の微細化・高密度化に伴って生じる「信号伝送の遅延」及び「エレクトロマイグレーション頻度の増大」の２点を解消するために、従来配線材料として使用されているアルミニウム系金属に替って銅を採用しようとする傾向が顕著になっている。
【０００３】
銅を半導体基板に設けた微細な凹みに被覆し、又は埋込んで配線構造を形成する場合、従来材料のアルミニウム系金属と異なり、リソグラフィ・エッチング手法が未確立なので、絶縁層に予め食刻した配線用の微細な凹み内に銅を被覆、及び／又は埋込むダマシン法を採用することが不可避となっている。
【０００４】
銅のダマシン法の具体的例としては主として、（１）スパッタリフロー、（２）化学気相蒸着、及び（３）電解メッキの３つがある。この（１）乃至（３）のうちでは成膜速度が大きく、膜質が優れており、アルミニウム用の既存装置・技術が大幅に流用できるという理由によって（１）のスパッタリフローの実用可能性が非常に高い。
【０００５】
しかしながら、スパッタリング原子の直進性に起因した段差被覆性の低い点が問題視されている。図１はスパッタリングによって、銅を配線用の微細な凹みに堆積させたときの入口部分に形成した銅の張出し（オーバハング）の状況を模式的に示した図である。
【０００６】
図１において、２は表面に微細な凹み２ａが形成された基材であり、通常ターゲットから直進した銅原子が、凹み２ａの入口部分に集中的に堆積し、オーバハング（張出し）部Ａが形成される。このようにオーバハング部Ａができると、凹み２ａの内部に十分な原子が堆積する前に入口部分が閉塞してしまいそれ以降の凹み２ａの内部の被覆・埋込みは阻止され、空洞状欠陥Ｂを内在したままで、被覆・埋込み工程が終了することになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、基材の配線形成用の微細な凹み内部に欠陥の無い健全な配線構造をスパッタリングで得ることができる基材の配線形成方法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】
上記問題点を解決するため請求項１に記載の発明は、チャンバー内に基材と該基材に対向して配置された導電材からなるターゲットを配置し、該基材と該ターゲット間に電圧を印加し、該チャンバー内にスパッタガスを導入し加速された粒子を該ターゲットに衝突させ、該ターゲットから跳び出した導電材粒子を前記基材に堆積させ該基材に形成された微細な凹みを被覆又は埋込むスパッタリングによる基材の配線形成方法であって、チャンバーの内部圧力をスパッタガスがターゲットの表面で反射した反跳粒子の平均自由行程が基材とターゲット間の距離より大きくなるように調整すると共に、基材と該ターゲット間の電位差を反跳粒子が前記凹みの入口部分に集中的に堆積して形成されたオーバハング部をスパッタリングできるエネルギーをもつように調整し、導電材粒子が前記凹みの入口部分に集中的に堆積して形成されるオーバハング部を、前記反跳粒子によってスパッタエッチングしながら、導電材粒子で前記凹みを被覆又は埋込むことを特徴とする。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の基材の配線形成方法において、基板とターゲット間に印加する電圧は直流電圧であることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基いて説明する。図２は本発明の２極式直流マグネトロンスパッタリング型の基材配線形成装置の構成を示す図である。
なお、ここでは説明を簡単にするため、スパッタガスとして一般的に多用されるアルゴン雰囲気中のスパッタリングを例に説明する。図２において、１はチャンバーであり、該チャンバー１内に基材２を保持する基材ホルダー３とターゲット４が対向して配置されている。また、ターゲット４の下部にはチャンバー１内に磁界を形成するための磁石５が配置されている。
【００１７】
チャンバー１内は排気口６を介して真空ポンプ（例えば油拡散型真空ポンプ）に接続されると共に、流量調整バルブ８を介してアルゴン（Ａｒ）ガス源７に接続されている。また、ターゲット４は導電材料｛ここでは銅（Ｃｕ）が用いられている｝からなり、出力電圧可変型の直流電源１０の陰極側に接続され、前記基材ホルダー３は接地されている。なお、９は基材ホルダー３を加熱・冷却するための加熱・冷却媒体を通す配管（なお、加熱は基材ホルダー３の内部に埋め込んだヒータで行ってもよい）、１１はシャッターである。
【００１８】
上記基材配線形成装置では、基材ホルダー３とターゲット４の間隔Ｌ＝２５０ｍｍ、ターゲット４の径＝１２０ｍｍ、基材ホルダー３の径＝１００ｍｍとしている。
【００１９】
上記構成の２極式直流マグネトロンスパッタリング型の基材配線形成装置において、チャンバー１内を真空ポンプで減圧し、ターゲット４に負の直流高電圧を印加し、流量調整バルブ８を通して該チャンバー１内にアルゴンガスを導入すると、アルゴンガスは電界内でイオン化されると共に、該アルゴンイオンは電界内で加速され高エネルギー粒子となってターゲット４に衝突する。この衝突により、ターゲット４から銅原子が跳び出し、該銅原子が直進し基材２の表面に堆積して銅の薄膜を形成する。
【００２０】
上記のように、ターゲット４からの銅原子が基材２の表面に堆積して銅薄膜を形成するのであるが、該銅原子は図１に示すように、凹み２ａの入口部分に集中的に堆積し、オーバハング部Ａが形成される。本発明ではこのオーバハング部Ａをターゲット４の表面で反射した反跳アルゴン粒子（原子）のスパッタエッチング現象を利用して除去しながら、ターゲット４からの銅原子を凹み２ａの内部に堆積させることにより、凹み２ａの内部を該銅原子で埋め込むようにしている。
【００２１】
チャンバー１内に導入したアルゴンガスが電界内でイオン化して高エネルギーをもつ場合、アルゴンの一部はターゲット４面でかなりのエネルギーをもったまま反射した反跳アルゴン粒子となる。この反跳アルゴン粒子のエネルギーは基材２とターゲット４間の電位差に比例し、散乱角度に依存して決まる。
【００２２】
▲１▼例えばターゲット材料が銅で電位差＝４００Ｖのときは反跳アルゴン粒子のエネルギーは２４〜１００ｅＶになる（図３参照）。
【００２３】
▲２▼一方、スパッタリング装置を用いた基材表面のスパッタエッチングによるクリーニング（逆スパッタ）においては通常２００〜１，０００ｅＶ程度のエネルギーをもつアルゴンイオンを利用していると考えられる。因みに、例えば１，０００ｅＶのアルゴンイオンで銅表面をスパッタすると、銅表面のエッチング速度は計算上約０．５４ｎｍ／ｓとなる。
【００２４】
前述のように反跳アルゴン粒子のエネルギーは印加電位差に比例するので、通常のスパッタエッチングに用いるのと同じ程度のエネルギーの反跳アルゴン粒子を得るために印加電位差を適当に設定する必要がある。
【００２５】
即ち、前記▲１▼、▲２▼の条件から印加電圧ＥＶとして、少なくとも次式（３）が成立する必要がある。
４００×２００／１００≦Ｅ≦４００×１，０００／２４（３）
∴８００≦Ｅ≦１６，７００
【００２６】
一方、ターゲット４に衝突した加速粒子の数に対するそれによってターゲットから叩き出される原子数の比であるスパッタ率は、加速粒子のエネルギーが３０ｋｅＶ程度以下であれば該粒子のエネルギーの単調増加関数となる（図４参照）。従って、式（３）と組合せ、式（４）の条件を確保することが望ましい。
８００≦Ｅ≦３０，０００（４）
【００２７】
式（４）のエネルギーを持つ反跳アルゴン粒子（原子）が銅粒子（原子）に混じって、基材２の表面に衝突すれば、スパッタリング成膜作用により基材２の表面に堆積した銅層、特に凹み２ａの入口付近に相対的に厚く堆積した部分（オーバハング部Ａ）は反跳アルゴン原子によって優先的にスパッタエッチングされ、その一定部分が除去されていくので、凹み２ａの内部・深部に至るまで、銅の被覆・埋込みが順調に進行する。
【００２８】
一方、本発明では反跳アルゴンのスパッタリングによるエッチングを有効に起こすために、反跳アルゴン粒子どうしの衝突による散乱・運動エネルギーの減衰を極力抑制し、ターゲット４で反射した後反跳アルゴン粒子が直進して、そのまま基材２の表面に衝突するようにさせる必要がある。
【００２９】
このため、工程中の反跳アルゴン粒子の平均自由行程をターゲット４と基材２間の距離と等しいレベル以上になるように圧力を保持する必要がある。気体分子運動論によると、気体分子の平均自由行程λｍｍと圧力ＰＰａの関係は下式（５）となる。
λ＝１３．３３／Ｐ（５）
【００３０】
式（５）のλを基材２とターゲット４の間の距離Ｌｍｍ以上になる圧力を保つことが必要となる。つまり、式（６）が成立つ必要がある。
Ｐ≦１３．３３／Ｌ（６）
【００３１】
ここで基材２とターゲット４の間の距離は実装置では５０〜１，０００（ｍｍ）の範囲にあると考えられるので圧力は大半の場合、下式（７）のようにすればよい。
０．２７≦Ｐ≦１．３３×１０^-2 （７）
【００３２】
上記条件下で基材２の凹み２ａに銅の被覆・埋込みを行った結果、図５（ａ）〜（ｃ）に示すような、幅０．１５μｍ程度以下の深い凹み２ａの内部に銅の埋込みが健全になされ、欠陥が見当たらないことを確認した。なお、ここでは、基材２の温度を２００℃、チャンバー内圧力を１×１０^-1Ｐａとしている。
【００３３】
因みに、上記チャンバー内圧力が１×１０^-1Ｐａという低圧力では通常２極式直流スパッタリング装置で安定な高密度プラズマを起こすことが困難とされている。これに対して、本実験例ではマグネトロンによる磁場Ｂ＝２，２００Ｇ、外部印加電圧Ｅ（陰極降下電圧）＝６ｋＶに設定することによってプラズマの安定化を実現した。今までの経験から、Ｅ／Ｂを一定に保持していれば、圧力が常法より低くなっても安定な放電を起こすことができる。
【００３４】
なお、上記例ではターゲット４に銅を用いているが、ターゲット４の材料としては、銅に限定されるものではなく、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）又はそれらのうち少なくとも一種を構成要素とする合金若しくは化合物であってもよい。また、微細な凹みを形成した基材としては、ここでは半導体ウエハを用いているが、これに限定されるものではない。
【００３５】
また、チャンバー１内に導入するスパッタガスとしてアルゴン（Ａｒ）ガスを用いたが、これに限定されるものではなく、原則としてチャンバー１内でイオン化され、加速され高エネルギー粒子となり、且つ基材等に悪影響を及ぼさない材料であればよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、各請求項に記載の発明によれば下記のような優れた効果が得られる。
【００３７】
請求項１及び２に記載の発明によれば、反跳粒子がターゲットから跳び出した導電材粒子に混じって基材表面に衝突するから、該基材表面に堆積した導電材層、特に微細な凹みの入口付近に相対的に厚く堆積した部分を優先的にスパッタエッチングするので、導電材粒子が凹みの内部・深部に堆積し、凹み内部に欠陥のない被覆・埋込みができるという基材の配線形成方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】銅スパッタによって生じる基材の凹み入口部のオーバハングを示す図である。
【図２】本発明に係る２極式直流マグネトロンスパッタリング型の基材配線形成装置の構成を示す図である。
【図３】反跳Ａｒのエネルギーとターゲット材の原子量（極間電圧＝４００Ｖのとき）の関係を示す図である。
【図４】スパッタ率のイオン・エネルギー依存性を示す図である。
【図５】本発明の基材の配線形成方法による基材の凹みの被覆・埋込み例を説明するための図である。
【符号の説明】
１チャンバー
２基材
３基材ホルダー
４ターゲット
５磁石
６排気口
７Ａｒガス源
８流量調整バルブ
９配管
１０直流電源
１１シャッター

Claims

チャンバー内に基材と該基材に対向して配置された導電材からなるターゲットを配置し、該基材と該ターゲット間に電圧を印加し、該チャンバー内にスパッタガスを導入し加速された粒子を該ターゲットに衝突させ、該ターゲットから跳び出した導電材粒子を前記基材に堆積させ該基材に形成された微細な凹みを被覆又は埋込むスパッタリングによる基材の配線形成方法であって、
前記チャンバーの内部圧力を前記スパッタガスが前記ターゲットの表面で反射した反跳粒子の平均自由行程が前記基材と前記ターゲット間の距離より大きくなるように調整すると共に、前記基材と該ターゲット間の電位差を前記反跳粒子が前記凹みの入口部分に集中的に堆積して形成されたオーバハング部をスパッタリングできるエネルギーをもつように調整し、
前記導電材粒子が前記凹みの入口部分に集中的に堆積して形成されるオーバハング部を、前記反跳粒子によってスパッタエッチングしながら、前記導電材粒子で前記凹みを被覆又は埋込むことを特徴とする基材の配線形成方法。
請求項１に記載の基材の配線形成方法において、
前記基板と前記ターゲット間に印加する電圧は直流電圧であることを特徴とする基材の配線形成方法。