JP3949205B2 - Metal wiring sputtering equipment with magnetron cathode - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高集積化されたシリコン半導体デバイス等のメタル配線スパッタプロセス技術において、高アスペクト比の穴の埋め込みに適した誘導結合RFプラズマ支援マグネトロンカソードを備えたメタル配線スパッタ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
高集積化されたシリコン半導体デバイスの高アスペクト比の穴の埋め込みを可能とするものとして、これまで、▲1▼単純なプレーナマグネトロンスパッタ(図1及び2)、▲2▼カソードターゲットとシリコン基板との間にコリメーターを入れたコリメーションスパッタ(図3)、▲3▼10-2Pa台の低圧でも放電できるプレーナマグネトロンカソードを用いシリコン基板とターゲットとの間隔を広げたロングスロースパッタ(図4)、▲4▼カソードターゲットとシリコン基板との間にRFコイルを入れたイオン化メタルプラズマスパッタ(図5;S.M. Rossnagel et.al.:Appl. Phys. Lett. 63 (1993) 3285及びJ. Vac. Sci. Technol. B 12 (1994)
449)などが用いられてきた。
【0003】
上記▲1▼の単純なプレーナマグネトロンスパッタ(ノーマルスパッタ)では、スパッタは10-1Pa台で行われるが、この場合、スパッタされた粒子は矢印Aで示されるように雰囲気ガスにより散乱され、基板3に対しランダムな角度で入射し、堆積する(図1)。その結果、スパッタ膜4は高アスペクト比の穴の入り口付近に多く堆積し、穴の中まで膜を堆積出来ず、穴は中空のままになる(図2)。図1において、1は基板ホルダー、2はターゲットを示す。
【0004】
上記▲2▼のコリメーションスパッタでは、カソードターゲット10とシリコン基板13との間に入れたコリメーター12により、基板13に対し高角度をなすスパッタされた粒子Bのみを選別し、この粒子を高アスペクト比の穴の埋め込みに用いる(図3)。この場合、穴の埋め込みは可能となるが、長時間使用しているとコリメーターに付着した厚い膜が剥離し、基板13上に降るため、パーティクルによるメタル配線の断線などの欠陥が生じやすいなどの問題が発生する。図3において、11は基板ホルダーを示す。
【0005】
上記▲3▼のロングスロースパッタでは、10-2Pa台の低圧でも放電できるプレーナマグネトロンカソード27を用いるため、雰囲気ガスにより散乱されるスパッタ粒子Cは少なくなり、シリコン基板20とターゲット21との間隔を広げられる。その結果、基板20に対し高角度の粒子のみが飛来できることになり(図4)、高アスペクト比の穴埋めが可能となる。この方法は構造が単純でパーティクル形成などの問題も少ないが、アスペクト比が高くなるにつれ、斜め入射粒子の影響が無視できなくなり、ボトムカバレッジが低下するなどの問題が発生する。図4において、22は静電チャックホットプレート、23a及び23bはガス導入口、24は排気口、25は低圧スパッタ用磁石、26はDC電源である。
【0006】
上記▲4▼のイオン化メタルプラズマスパッタでは、カソードターゲット30と基板ホルダー31上に載置されたシリコン基板34との間にRFコイル32を入れ、RFコイル32により発生させた誘導結合プラズマでスパッタされた粒子をイオン化させ、更にシリコン基板34にDCあるいはRFバイアス33を印加して当該スパッタ粒子を高アスペクト比の穴に導入することにより穴の埋め込みを行う(図5)。この場合、確かにイオン化率を高くでき(図6)、高アスペクト比の穴の埋め込みを行うことは可能であるが、反応室内のガスの衝突でイオン化するため、10-1Pa台以下ではイオン化率が急激に低下し(図6)、本法が適用できなくなる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記従来のスパッタ法では困難とされていた問題を解消し、超高集積化シリコン半導体デバイスの高アスペクト比の穴の埋め込みを効率よく行えるスパッタ装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明のメタル配線スパッタ装置は、シリコン半導体メタル配線プロセスにおいて高アスペクト比の穴の埋め込みを行うメタル配線スパッタ装置において、真空室に誘導結合RFプラズマ支援マグネトロンカソードを備え、高いイオン化率のスパッタ粒子を生成させ、さらに該カソードの前面部に設けられているターゲットと対向するように設置される基板にDCまたはRFバイアスを印加して該スパッタされた指向性のある中性の粒子およびイオン化された粒子が高アスペクト比の穴内に導入され、穴の埋め込みが行われるような構成になっている。
【0012】
誘導結合RFプラズマ支援マグネトロンカソードを備えたスパッタ装置を用いて、シリコン基板の高アスペクト比の穴の埋め込みを行うと、イオン化されていない中性粒子はロングロースパッタの特徴を備えたまま、また、イオン化されたスパッタ粒子は基板に印加したDCまたはRFバイアスにより基板に垂直に入射できるため、高アスペクト比の穴に対しても極めて効率よく埋め込みができることになる。また、バイアスにより適度に加速されたイオン化粒子は、その運動エネルギーにより穴の内表面の堆積膜上でのマイグレーションが加速され、結果として緻密な結晶性に優れた膜が堆積できることになる。
【0013】
【実施例】
次に、本発明の実施例を図面を参照して説明するが、これは単なる説明のためのもので本発明を何ら限定するものではない。
【0014】
図7に本発明のスパッタ装置に備えられる誘導結合RFプラズマ支援マグネトロンカソードの構成を示し、図8に図7に示したカソードを備え、シリコン基板の高アスペクト比の孔の埋め込みを効率よく行えるスパッタ装置の構成を示す。なお、カソードの直径は2インチのものを用いた。
【0016】
前記カソードを備えたスパッタ装置は、図8に示すように、真空室50内にArガス等の不活性ガス等を導入するガス導入口51と真空排気口52とを備え、該真空室50の内部には、該カソードの前面に設けられたターゲット41と基板ホルダー53に保持されたシリコン基板54とが対向して設けられる。基板ホルダー53はDCまたはRFバイアス源55に接続し、さらにアノードとなるようにアースに接続した。
【0017】
次に、図7に示すカソードによるイオン化率および図8に示すスパッタ装置を使用して行った高アスペクト比の穴の埋め込みについて説明する。
【0018】
先ず、図7に示した誘導結合RFプラズマ支援マグネトロンカソードを利用して、Alターゲット41をスパッタした際のスパッタされたAl粒子のイオン化率について述べる。図9〜10にAlイオンのエネルギー分布測定結果を示す。イオン化された粒子の数は曲線と底辺で囲まれた面積に比例する。この測定では、該カソード前方約130mmの位置に設置したシリンドリカルミラー型イオンエネルギーフィルター付の四重極質量分析計を用い、RFコイルへの高周波電力の投入は、図11に示すような(a)誘導結合または(b)容量結合のいずれかで行った。図9(a)は誘導結合、図9(b)は容量結合の場合を示す。
【0019】
図9の場合には、Arスパッタガス圧力を0.13Pa、ターゲット投入電力をDC60W一定とし、RFコイル投入電力を変化させてスパッタを行った。図9でRFコイル0Wとした曲線が、従来のプレーナマグネトロンスパッタに対応する。これに対し、RFコイルへ高周波電力を投入するとイオン化されるAl粒子の数が急激に増加できることが図9より判る。また、高周波電力の投入法については、図9(a)と図9(b)との比較より判るように誘導結合プラズマのほうが効率的である。なお、従来のプレーナマグネトロンスパッタのイオン化率は0.1%〜数%とされているので、本法によるイオン化率はそれより1桁以上大きい。
【0020】
図10の場合には、ターゲット投入電力をDC60W、RFコイル容量結合の接続でその投入電力を40W一定とし、Arスパッタガス圧力を変化させてスパッタを行った。図10より、本スパッタ法では10-2Pa台の低圧でもスパッタされた粒子のイオン化率を高く保てることが判る。これが、10-1Pa台以下ではイオン化率が急激に低下するイオン化メタルプラズマスパッタ(図6)との基本的な相違である。
【0021】
次に、図8に示す装置を用いて、シリコン基板の高アスペクト比の穴の埋め込みを配線材料としてTiを用いて行った。
【0022】
ターゲット41下部約220mmの位置にある基板ホルダー53にシリコン基板54をセットした後、真空排気系によって該室内をほぼ10-6Paの高真空に排気する。その後基板54を背後よりヒーター(図示せず)により所望の温度250℃まで加熱する。この温度に到達後、ガス導入口51から室内にArガスを導入し、スパッタガス圧を0.065Paに調整する。次いで、ターゲットにDC60W、誘導結合の接続(RFコイルの終端を接地)にしたRFコイルに30Wの電力を投入しプラズマをたてる。この状態で基板バイアスとしてDC20W一定になるように基板印加電圧を調整し、スパッタ成膜を開始する。予め測定しておいた成膜速度より成膜時間を算出し、所望の膜厚約0.2μmに達したところで成膜を終了する。
【0023】
本法の場合、シリコン基板表面の高アスペクト比の穴へのTiの埋め込みのメカニズムとして、これまで述べたように高いイオン化率のTiイオンを基板に印加したDCバイアスで基板に垂直に引き込む作用、ロングスロースパッタでイオン化されてない中性Ti粒子を基板に高角度で入射させる作用があげられる。さらにはスパッタガスであるArのイオン化率も高いため、Arイオンも基板に垂直に引き込まれるが、この入射するArイオンにより図2に示したような穴の入口近傍および壁面に堆積したTi膜が削られ(スパッタされ)るので、この作用による側壁へのTi膜付着の低減および穴底への膜堆積の向上への寄与もある。
【0024】
このようにして成膜した基板は、該室より取り出した後、穴の埋め込みの程度を調べるため、割ってその断面を走査型電子顕微鏡で観察・測定した。その測定結果を図12に示す。図中ボトムカバレッジとは、穴の底に堆積した膜の厚さを基板表面に堆積した膜の厚さで除したもので、この値が高いほど穴の埋め込み性能が優れている。図には、従来法との比較例としてロングスロースパッタの結果も併記した。ここでのロングスロースパッタとは、RFコイル投入電力を0Wとしたときの結果である。図12より本発明の方がロングスロースパッタより穴の埋め込み性能が優れていることが判る。
【0025】
上記実施例では配線材料としてTiを用いた場合の例を示したが、その他Al、Cu、Wなどの金属、TiNなどの化合物配線材料、さらには(BaSr)TiO3などの高誘電体材料などの種々の材料を用いる薄膜への適用が可能である。
【0026】
また、上記実施例ではシリコン基板メタル配線プロセスについて述べたが、その他フラットパネルディスプレー、薄膜磁気ヘッドをはじめ種々の電子機器デバイス薄膜作製プロセスへの適用が可能であることは言うまでもない。
【0027】
【発明の効果】
誘導結合RFプラズマ支援マグネトロンカソードを備えた本発明のスパッタ装置により、今後ますます集積化の進む基板について、高アスペクト比の穴の埋め込みが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来のプレーナマグネトロンスパッタを説明するための概略側面図。
【図2】 図1の従来のマグネトロンスパッタによる穴の埋め込み状態を説明するための概略断面図。
【図3】 従来のコリメーションスパッタを説明するための概略側面図。
【図4】 従来のロングスロースパッタを説明するための概略側面図。
【図5】 従来のイオン化メタルプラズマスパッタを説明するための概略側面図。
【図6】 図5に示す従来のイオン化メタルプラズマスパッタを用いた場合のスパッタ圧力とイオン化率との関係を示すグラフ。
【図7】 本発明のスパッタ装置に備えられるカソードの一実施例を示す概略側面図。
【図8】 本発明のスパッタ装置の一実施例を示す概略側面図。
【図9】 (a)本発明のスパッタ装置に備えられるカソードでスパッタされたA1イオンのエネルギー分布を示すグラフ(誘導結合プラズマによる高周波電力供給)。
(b)本発明のスパッタ装置に備えられるカソードでスパッタされたA1イオンのエネルギー分布を示すグラフ(容量結合プラズマによる高周波電力供給)。
【図10】 本発明のスパッタ装置を用いてスパッタした場合のA1イオンエネルギー分布のスパッタ圧力依存性を示すグラフ(容量結合プラズマ)。
【図11】 (a)誘導結合プラズマによるRFコイルへの高周波電力供給法を説明するための線図。
(b)容量結合プラズマによるRFコイルへの高周波電力供給法を説明するための線図。
【図12】 本発明のスパッタ装置を用いた場合の、穴のアスペクト比とボトムカバレッジ(%)との関係を、従来のロングスロースパッタ法と比較して示すグラフ。
【符号の説明】
1、11、31、53 基板ホルダー 2、10、21、30 ターゲット
3、13、20、34 基板 4 スパッタ膜
12 コリメーター 22 静電チャックホットプレート
23a、23b ガス導入口 24 排気口
25 低圧スパッタ用磁石 26 DC電源
27 プレーナマグネトロンカソード 32 RFコイル
33 DCまたはRFバイアス 40 カソード電極
41 ターゲット 42 RFコイル
43 カソードカバー 44 ガス導入用ノズル
45 高周波電源 46 マッチングボックス
47 永久磁石 48 DC電源
49 磁場 50 真空室
51 ガス導入口 52 排気口
54 シリコン基板 55 DCまたはRFバイアス源
56 高アスペクト比の穴[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a metal wiring sputtering apparatus including an inductively coupled RF plasma assisted magnetron cathode suitable for filling a high aspect ratio hole in a metal wiring sputtering process technology such as a highly integrated silicon semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
To enable high-aspect-ratio hole filling in highly integrated silicon semiconductor devices, (1) simple planar magnetron sputtering (FIGS. 1 and 2), (2) cathode target and silicon substrate Collimation sputter with a collimator in between (Fig. 3), (3) Long throw spatter with a planar magnetron cathode capable of discharging even at a low pressure of 10-2 Pa, and widening the gap between the silicon substrate and the target (Fig. 4) , (4) ionized metal plasma sputtering with an RF coil placed between the cathode target and the silicon substrate (FIG. 5; SM Rossnagel et.al .: Appl. Phys. Lett. 63 (1993) 3285 and J. Vac. Sci Technol. B 12 (1994)
449) have been used.
[0003]
In the simple planar magnetron sputtering (normal sputtering) of (1) above, sputtering is performed on the order of 10 −1 Pa. In this case, the sputtered particles are scattered by the atmospheric gas as indicated by arrow A, and the
[0004]
In the collimation sputtering of (2) above, only the sputtered particles B that form a high angle with respect to the
[0005]
In the long throw sputtering of the above (3), the
[0006]
In the ionized metal plasma sputtering of (4) above, an
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a sputtering apparatus that can solve the problems that have been difficult to achieve with the above-described conventional sputtering method, and that can efficiently fill holes with a high aspect ratio in an ultra-highly integrated silicon semiconductor device.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The metal wiring sputtering apparatus of the present invention is a metal wiring sputtering apparatus that embeds a hole with a high aspect ratio in a silicon semiconductor metal wiring process. The metal wiring sputtering apparatus includes an inductively coupled RF plasma assisted magnetron cathode in a vacuum chamber, and sputters particles with a high ionization rate. Further, the sputtered directional neutral particles and ionized particles by applying a DC or RF bias to a substrate that is generated and applied to a substrate disposed to face a target provided on the front surface of the cathode Is introduced into a hole having a high aspect ratio, and the hole is embedded.
[0012]
When a high aspect ratio hole in a silicon substrate is embedded using a sputtering apparatus with an inductively coupled RF plasma assisted magnetron cathode , the non-ionized neutral particles remain with the characteristics of long low sputtering, and Since the ionized sputtered particles can be perpendicularly incident on the substrate by a DC or RF bias applied to the substrate, it is possible to embed very efficiently even in a high aspect ratio hole. In addition, the ionized particles moderately accelerated by the bias accelerate the migration on the deposited film on the inner surface of the hole by the kinetic energy, and as a result, a film having a fine crystallinity can be deposited.
[0013]
【Example】
Next, examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, these are merely illustrative and do not limit the present invention in any way.
[0014]
FIG. 7 shows the configuration of an inductively coupled RF plasma assisted magnetron cathode provided in the sputtering apparatus of the present invention, and FIG. 8 shows the sputtering shown in FIG. 7 which can efficiently embed high aspect ratio holes in a silicon substrate. The structure of an apparatus is shown. The cathode diameter was 2 inches.
[0016]
As shown in FIG. 8, the sputtering apparatus including the cathode includes a
[0017]
Next, the ionization rate by the cathode shown in FIG. 7 and the filling of holes with a high aspect ratio performed using the sputtering apparatus shown in FIG. 8 will be described.
[0018]
First, the ionization rate of the sputtered Al particles when the
[0019]
In the case of FIG. 9, sputtering was performed with an Ar sputtering gas pressure of 0.13 Pa, a target input power of
[0020]
In the case of FIG. 10, sputtering was performed by changing the Ar sputtering gas pressure while setting the target input power to
[0021]
Next, using the apparatus shown in FIG. 8, high-aspect-ratio holes in a silicon substrate were filled using Ti as a wiring material.
[0022]
After the
[0023]
In the case of this method, as described above, as a mechanism for embedding Ti in a high aspect ratio hole on the surface of the silicon substrate, an action of attracting a high ionization rate Ti ion vertically to the substrate with a DC bias applied to the substrate, There is an effect that neutral Ti particles that are not ionized by long throw sputtering are incident on the substrate at a high angle. Furthermore, since the ionization rate of Ar, which is a sputtering gas, is high, Ar ions are also drawn perpendicularly to the substrate, but the Ti film deposited near the entrance of the hole and on the wall surface as shown in FIG. Since it is shaved (sputtered), this action also contributes to reduction of Ti film adhesion to the side wall and improvement of film deposition on the hole bottom.
[0024]
The substrate thus formed was taken out of the chamber, and was then broken and observed and measured with a scanning electron microscope in order to examine the degree of hole filling. The measurement results are shown in FIG. In the figure, the bottom coverage is obtained by dividing the thickness of the film deposited on the bottom of the hole by the thickness of the film deposited on the substrate surface. The higher this value, the better the hole filling performance. The figure also shows the results of long throw sputtering as a comparative example with the conventional method. The long throw sputtering here is a result when the power supplied to the RF coil is set to 0 W. From FIG. 12, it can be seen that the hole filling performance of the present invention is superior to that of long throw sputtering.
[0025]
In the above embodiment, Ti is used as the wiring material. However, other metal such as Al, Cu, and W, compound wiring material such as TiN, and high dielectric material such as (BaSr) TiO 3. It is possible to apply to thin films using various materials.
[0026]
Although the silicon substrate metal wiring process has been described in the above embodiment, it is needless to say that the present invention can be applied to various electronic device device thin film manufacturing processes including flat panel displays and thin film magnetic heads.
[0027]
【The invention's effect】
The sputtering apparatus of the present invention equipped with an inductively coupled RF plasma assisted magnetron cathode has made it possible to embed high aspect ratio holes in increasingly more integrated substrates.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic side view for explaining conventional planar magnetron sputtering.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining a state of hole filling by the conventional magnetron sputtering of FIG.
FIG. 3 is a schematic side view for explaining conventional collimation sputtering.
FIG. 4 is a schematic side view for explaining conventional long throw sputtering.
FIG. 5 is a schematic side view for explaining conventional ionized metal plasma sputtering.
6 is a graph showing the relationship between sputtering pressure and ionization rate when the conventional ionized metal plasma sputtering shown in FIG. 5 is used.
FIG. 7 is a schematic side view showing an embodiment of a cathode provided in the sputtering apparatus of the present invention.
FIG. 8 is a schematic side view showing an embodiment of the sputtering apparatus of the present invention.
FIG. 9A is a graph showing the energy distribution of A1 ions sputtered at the cathode provided in the sputtering apparatus of the present invention (high-frequency power supply by inductively coupled plasma).
(B) The graph which shows the energy distribution of A1 ion sputtered with the cathode with which the sputtering device of the present invention is provided (high-frequency power supply by capacitively coupled plasma).
FIG. 10 is a graph (capacitive coupling plasma) showing the sputtering pressure dependence of the A1 ion energy distribution when sputtering is performed using the sputtering apparatus of the present invention.
FIG. 11A is a diagram for explaining a method of supplying high-frequency power to an RF coil by inductively coupled plasma.
(B) The diagram for demonstrating the high frequency electric power supply method to RF coil by capacitive coupling plasma.
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the hole aspect ratio and the bottom coverage (%) in comparison with the conventional long throw sputtering method when the sputtering apparatus of the present invention is used.
[Explanation of symbols]
1, 11, 31, 53
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