JP3950429B2 - 化合物薄膜成膜装置及び化合物薄膜成膜方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は化合物薄膜成膜装置及び化合物薄膜成膜方法に関するものであり、例えば、半導体集積回路装置の配線層や、工具等の表面加工に用いられる化合物薄膜を均一な組成で再現性良く成膜するための構成に特徴のある化合物薄膜成膜装置及び化合物薄膜成膜方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
遷移金属の窒化物は、高融点、高硬度、低抵抗率などの特異な性質を持っているため、半導体技術分野や機械分野において積極的に使用されている。
【０００３】
例えば、半導体技術分野においては、配線層と層間絶縁膜間における熱プロセス中の相互拡散反応を防止する拡散防止膜として、高融点かつ高密度のチタンやタンタルの窒化物薄膜、即ち、ＴｉＮ膜やＴａＮ膜が用いられている。
【０００４】
また、Ｘ線リソグラフィ用のマスク材料開発においても、チタン、タンタル、タングステンの窒素含有薄膜が検討されており、さらに、機械分野においては、工具の表面加工などに主にチタンの窒化物膜が用いられており、表面強化だけでなく、その光沢性を活かした装飾膜としても使用されている。
【０００５】
この様な遷移金属窒化物、または他の金属窒化物薄膜の成膜には、純金属ターゲットを一旦分子、原子レベルに分解し、それを基板上に吸着させることを基本原理として、現在種々の方法が用いられている。
【０００６】
例えば、ターゲットを熱により昇華させ、基板上に吸着させる蒸着法や、イオンによるターゲット表面の物理的スパッタリングを用いたスパッタリング法などが挙げられる。
また、ターゲットを用いずに金属分子が含まれたガスを気相中で化学反応させることで、金属化合物薄膜を得るＣＶＤ法なども用いられている。
【０００７】
しかし、近年の半導体集積回路装置における配線パターンの微細化に伴い、配線層の抵抗と寄生容量増加による信号応答遅延時間増大の問題が深刻化しており、そのため、配線材料に抵抗率の極めて低い銅を用いることが検討され、現在も開発が進められている。
【０００８】
この銅はＳｉＯ2 膜等の層間絶縁膜中を容易に拡散するために拡散防止膜を必要としているが、この拡散防止膜に対してもさらなる薄膜化、低抵抗率化、高密度化など厳しい条件が求められている。
【０００９】
しかし、上述の従来の成膜方法では、遷移金属窒化物中の金属原子と窒素原子の組成比や膜厚などといった、膜構造に関するパラメータの精密な制御が難しいため、銅配線用の拡散防止膜は未だ完成に至ってはいないのが現状である。
【００１０】
そこで、近年、イオンビーム照射による金属ターゲットのスパッタリングと、金属薄膜への窒素イオンビーム照射による金属窒化を組み合わせ、2 つのイオンビームのパラメータを制御することで、作製困難な組成比の遷移金属窒化物薄膜を実現するイオンビームアシスト法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【００１１】
本発明者等は、このイオンビームアシスト法をさらに発展させて、窒素イオンビーム照射に伴うスパッタエッチングによる膜厚減りを利用して多段階の工程を繰り返すことによって金属窒化膜の組成を制御するシーケンシャルイオンビームアシスト法（例えば、非特許文献２参照）を提案している。
【００１２】
このシーケンシャルイオンビームアシスト法は、スパッタリングによる金属膜の成膜プロセス、即ち、スパッタリングプロセスと、窒素イオン照射による金属膜の窒化プロセス、即ち、アシストプロセスとの２つの大きなプロセスに分かれるので、以下において、図６乃至図１１を参照して説明する。
【００１３】
図６参照
図６は、スパッタリング時における成膜装置の概略的構成図であり、排気系５２に接続されたチャンバー５１、ターゲット５４を保持するとともに回転させるターゲットホルダ５３、基板５６を保持するとともに回転させる基板ホルダ５５、ターゲット５４に流量コントローラ５９を介してＡｒガス源５８から送られたＡｒをイオン化して照射するスパッタリング用イオン源５７、アシストプロセスにおいてターゲット５４からの金属原子，分子の基板５６への飛散を防止するシャッター６０、基板５６に流量コントローラ６３を介してＮ2 ガス源６２からおくられたＮ2 をイオン化して照射するアシスト用イオン源６１、スパッタリングプロセスにおいて基板５６にＮイオンが照射されることを防止するシャッター６４、Ｎイオンの照射量をモニタするファラデーカップ６５、及び、四重極ガスアナライザ６６によって構成される。
なお、基板ホルダ５５は基板５６を所定温度に加熱するためにヒータを内蔵している。
【００１４】
スパッタリングプロセスにおいては、図に示すようにシャッター６０が開にされるとともに、シャッター６４は閉にされ、Ａｒイオンがターゲット５４に照射されてターゲット５４を原子、分子レベルに分解したあと、拡散、吸着現象を利用して基板５６上にＷ等の金属膜として堆積させる。
【００１５】
図７参照
図７は、アシスト時における成膜装置の概略的構成図であり、図に示すようにシャッター６０が閉にされるとともに、シャッター６４は開にされ、ターゲット５４からの金属分子・原子は遮蔽された状態で、基板５６上に堆積した金属膜にＮイオンが照射されて表面の金属原子を物理的、化学的に活性化するとともに、Ｎイオンを金属薄膜内部に打ち込み、窒化させ、金属膜を窒化する。
【００１６】
これらのスパッタリングプロセス及びアシストプロセスを交互に繰り返すことによって所望の膜厚を堆積させるものである。
このシーケンシャルイオンビームアシスト法では、予めイオン注入シミュレーションを用いてパラメータを設計し、成膜する方法であるので図８を参照して説明する。
【００１７】
図８（ａ）参照
図８（ａ）は、シーケンシャルイオンビームアシスト法における成膜状態の説明図であり、ここで重要なのは、スパッタリングプロセスで成膜される金属薄膜の膜厚ΔＤとアシストプロセスで薄膜が削られる膜厚ΔＳである。
スパッタリングプロセスとアシストプロセスを１回ずつ行ったとき、残った薄膜の膜厚はΔＤ−ΔＳとなり、この交互プロセスをｎ回繰り返すことによって所期の膜厚Ｄが得られる。
【００１８】
図８（ｂ）参照
図８（ｂ）は、アシストイオン分布の説明図であり、交互プロセスを１回行ったときに残った薄膜の膜厚ΔＤ−ΔＳが、窒素イオンの平均注入深さＲp よりも薄いとき、この交互プロセスを数回繰り返すことで、均一な注入分布が得られ、良質な金属窒化物薄膜が得られることになる。
【００１９】
次に、図９及び図１０を参照して、シーケンシャルイオンビームアシスト法におけるパラメータの設計フローを説明する。
図９、図１０（ａ）乃至（ｄ）参照
図９は、全体のパラメータの設計フローチャートであり、また、図１０（ａ）乃至（ｄ）は個別のパラメータの設計フローチャートである。
【００２０】
まず、窒素イオン平均注入深さＲp ができるだけ大きくなるように、イオン注入シミュレーションから、アシストイオンビームの注入エネルギーＥと注入角度θを決定する。
例えば、モンテカルロ法によりイオン注入過程のシミュレーションを行うソフトＴＲＩＭ（ｔｈｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｏｆ Ｉｏｎｓ ｉｎ Ｍａｔｔｅｒ）を用いて行う。
【００２１】
次いで、１周期（スパッタリングプロセスを1 回、アシストプロセスを1 回）の交互プロセス後に残る膜厚ΔＤ−ΔＳをＲp より小さい値で設定し、それを目標膜厚Ｄで割って、繰り返し回数ｎを決定する。
【００２２】
次いで、アシストプロセスでのイオン注入総量Ｉと金属原子の密度Ｙとの関係から、所望の組成比となるための条件が決まり、ΔＳが決定する。
この決定したΔＳからイオンエッチレートＲs に基づいてアシストイオン照射時間ｔs （＝ΔＳ／Ｒs ）が決定される。
【００２３】
次いで、このΔＳの値と、先に決定したΔＤ−ΔＳから、ΔＤも決定される。
この決定したΔＤからスパッタリングによる成膜レートＲd に基づいてスパッタリング用イオン照射時間ｔd （＝ΔＤ／Ｒd ）が決定される。
【００２４】
最後に、これらのパラメータを用いて再度イオン注入シミュレーションを行い、注入窒素イオンの深さ方向の分布を確認し、金属原子との量的関係を検討し、最終パラメータとする。
【００２５】
図１１参照
図１１は、図９及び図１０に示したフローチャートに従って設計した各パラメータを用いて、タングステン（Ｗ）に窒素イオンビームを注入したときの、注入窒素イオン深さ分布のシミュレーション結果を示したものである。
図に示すように、１周期のプロセスではタングステン原子に比べ、注入窒素イオンの濃度Ｎd は低いが、これを１０周期繰り返して行うと、タングステンとほぼ同等の窒素イオン濃度で注入できていることが分かる。
【００２６】
【非特許文献１】
Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３６，ｐ．２３０８，１９９７
【非特許文献２】
第４７回応用物理学関係連合講演会講演予稿集，Ｎｏ．２，ｐｐ．６２０，２０００
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の方法を実際に行うとき、イオンビーム電流が時間的に不安定であれば、アシストプロセスにおいて、一定のビーム照射時間に対するビーム照射量が設計値と異なってしまうという問題があり、薄膜の目標膜厚Ｄが薄くなるほど、その誤差が無視できなくなる。
【００２８】
また、スパッタリングプロセスである金属膜成膜プロセスの膜厚ΔＤと、アシストプロセスである金属膜の窒化プロセスの膜厚ΔＳのバランスがくずれるために、金属と窒素の組成比も設計値と異なったものになるという問題があるので、図１２及び図１３を参照してこの事情を説明する。
【００２９】
図１２参照
図１２は、設計したアシストプロセスにおけるイオンビーム照射時間の説明図であり、イオン注入量（＝イオン電流Ｉs ×イオンビーム照射時間）を一定に設定していることを示す。
【００３０】
図１３参照
しかし、実際のイオンビーム電流が、図１３において破線で示すように時間とともに増加しているとすると、従来は、その時のイオン電流値を読み取って、イオン注入量が一定になるように、図において実線で示すようにイオンビーム照射時間をその都度変更していた。
【００３１】
この手法では、イオンビーム照射時間を固定できないばかりか、イオンビームの不安定性に一貫した特性が無いと、自動制御が難しくなるという問題がある。
【００３２】
さらに、従来の装置構成では、成膜チャンバー内への基板搬入時や、基板交換時にはイオンビームを完全に停止させなければならないため、成膜時は、イオンビーム本体を立ち上げて、ビーム電流が安定になるまで待たなければならず、成膜のスループットが低下するという問題もある。
【００３３】
また、機械的なシャッターの開閉によりイオンビームの照射を制御しているため、遮断時にシャッター材料のスパッタリングが起こり、これにより、成膜した薄膜中にシャッター材料に起因する不純物が混入するという問題があり、特に、目標膜厚Ｄが薄くなるほど、この不純物の発生は深刻になる。
【００３４】
したがって、本発明は、イオンビーム照射時間を一定にしてスループットを向上するとともに、機械的シャッターに起因する問題を回避することを目的とする。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
図１は、本発明の原理的構成の説明図であり、ここで、図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
（１）上記の目的を達成するため、本発明は、化合物薄膜成膜装置において、母材薄膜を成膜する成膜手段と、母材薄膜に反応性イオンビームを照射して化合物薄膜に変換する第１のイオンビーム照射手段３と、化合物薄膜を成膜させるための基板１に電圧を印加できる電源を備えた基板バイアス手段と、第１のイオンビーム照射手段３から基板１に対してイオンビームを照射した際に、基板１におけるイオンビーム電流を単位時間当たりのイオン注入量が等しくなるように、基板バイアス手段により基板バイアス電圧でイオンビーム電流を制御するイオンビーム電流制御手段５と、第１のイオンビーム照射手段３から照射されたイオンを収集するための第１のコレクタ電極６とコレクタ用バイアス電源８を備えているイオンビーム収集手段を少なくとも備えたことを特徴とする。
【００３６】
この様に、第１のイオンビーム照射手段３におけるイオンビーム電流を、基板バイアス手段により基板バイアス電圧で単位時間当りのイオン注入量が等しくなるように制御することにより、イオンビーム電流が時間的増大するような場合でも、安定なイオン注入量を得ることができ、化合物薄膜の組成を再現性良く均一にすることができる。
【００３７】
（２）また、本発明は、上記（１）において、母材薄膜を成膜する成膜手段が、スパッタリング成膜手段からなることを特徴とし、それによって、シーケンシャルイオンビームアシスト成膜装置を構成することができる。
【００３８】
（３）また、本発明は、上記（１）または（２）において、母材薄膜が、金属薄膜であることを特徴とする。
（４）また、本発明は、上記（３）において、金属薄膜を構成する金属が、遷移金属であることを特徴とする。
（５）また、本発明は、上記（４）において、遷移金属が、タングステンであることを特徴とする。
【００３９】
シーケンシャルイオンビームアシスト成膜装置は、母材薄膜が金属薄膜、特に、安定した組成の化合物の形成が困難なタングステン等の遷移金属からなる薄膜の場合に好適となる。
【００４０】
（６）また、本発明は、上記（１）または（５）のいずれかにおいて、反応性イオンが、窒素イオンであることを特徴とする。
【００４１】
この様に、反応性イオンとして窒素イオンを用いることによって、従来は困難であった遷移金属の窒化物を再現性良く形成することができる。
【００４２】
（７）また、本発明は、上記（２）において、スパッタリング成膜手段を構成する第２のイオンビーム照射手段４が、第２のイオンビーム照射手段４から照射されたイオンを収集する第２のコレクタ電極７とコレクタ用バイアス電源９を備え、スパッタリング成膜手段を構成する母材スパッタリングターゲットにバイアスを印加できるスパッタリングターゲット用バイアス電源を備えていることを特徴とする
【００４３】
この様に、イオンビームに対するシャッターをコレクタ電極とコレクタ用バイアス電源によって構成することによって、機械的シャッターが不要になり、シャッターのイオンエッチングに起因する汚染を回避することができる。
【００４４】
（８）また、本発明は、上記（７）において、母材薄膜を成膜させるための基板１を移動させる基板搬送治具に、バイアス電圧印加手段を設けたことを特徴とする。
【００４５】
この様に、基板搬送治具に、バイアス電圧印加手段を設けることによって、基板１の交換時に、基板１がイオンビームから受ける影響を低減することができる。
【００４６】
（９）また、本発明は、上記（７）または（８）に記載の化合物薄膜成膜装置を用いた化合物薄膜成膜方法において、第１のイオンビーム照射手段３におけるイオンビーム電流を基板バイアス電圧により制御することを特徴とする。
【００４７】
イオンビーム電流が経時的増大する場合、基板バイアス電圧を経時的に大きくなるように制御することによって、基板１に達する単位時間当たりのイオン量は一定になり、したがって、照射時間をその都度変化させることなく、所望の組成の化合物薄膜を得ることができる。
【００４８】
（１０）また、本発明は、上記（９）において、母材薄膜の成膜開始前に、第１及び第２のイオンビーム照射手段３，４をオン状態にすることを特徴とする。
【００４９】
この様に、母材薄膜の成膜開始前に、第１及び第２のイオンビーム照射手段３，４をオン状態にすることによって、イオンビームの立ち上がり時の不安定性による品質のバラツキを低減することができ、且つ、スループットが向上する。
【００５０】
（１１）また、本発明は、上記（７）または（８）に記載の化合物薄膜成膜装置を用いた化合物薄膜成膜方法において、母材薄膜を成膜させるための基板１を交換する時に、基板搬送治具にバイアス電圧を印加するとともに、第１及び第２のイオンビーム照射手段３，４をオン状態にすることを特徴とする。
【００５１】
この様に、基板搬送治具にバイアス電圧を印加することによって、基板１の交換時にも第１及び第２のイオンビーム照射手段３，４をオン状態のままにすることができ、それによって、常に安定なイオンビーム電流を維持することができるので、化合物薄膜の品質を安定にすることができるとともに、スループットを向上することができる。
【００５２】
（１２）また、本発明は、上記（９）乃至（１１）のいずれかにおいて、母材薄膜の成膜工程において、上記第１のコレクタ電極６に第１のイオンビーム照射手段３からのイオンビームを収集する極性の電圧を印加し、化合物薄膜への変換工程において、第２のコレクタ電極７に第２のイオンビーム照射手段４からのイオンビームを収集する極性の電圧を印加することを特徴とする。
【００５３】
このように、成膜工程と、変換工程、即ち、アシスト工程とを交互に行う場合、第１及び第２のコレクタ電極６，７を交互にオン状態することによって、常にイオンビームを流した状態で成膜することができるとともに、機械的シャッターに起因する汚染を発生させることない。
【００５４】
【発明の実施の形態】
ここで、図２乃至図５を参照して、本発明の実施の形態のシーケンシャルイオンビームアシスト法によるＷＮ薄膜の成膜工程を説明する。
図２参照
図２は、本発明の実施の形態の化合物薄膜成膜装置の概略的構成図であり、この化合物薄膜成膜装置は成膜用チャンバー１１と、成膜用チャンバー１１とゲートバルブ１３を介して接続された試料導入用チャンバー１２とによって構成され、成膜用チャンバー１１及び試料導入用チャンバー１２は、超高真空ポンプ１４，１７及びロータリーポンプ１５，１８を介して排気口１６，１９に接続されており、例えば、１０-7Ｐａ程度の高真空が得られるようになっている。
【００５５】
この成膜用チャンバー１１の上側に、所定のデバイスを作成したＳｉウェハ等の基板２１を保持して回転させる基板ホルダ２０が設けられており、この電極を兼ねる基板ホルダ２０には基板電流測定用電流計２２を介して基板バイアス電源２３が接続されている。
【００５６】
一方、成膜用チャンバー１１の下側に、Ｗからなるターゲット２５を保持して回転させるターゲットホルダ２４が設けられており、この電極を兼ねるターゲットホルダ２４にはターゲット電流測定用電流計２６を介してターゲットバイアス電源２７が接続されている。
【００５７】
また、図において右側壁側には、スパッタリングを行うためにＡｒイオン３２をターゲット２５に照射するＡｒイオン銃２８が設けられており、このＡｒイオン銃２８にはＡｒガスボンベ３０から流量コントローラ３１を介してＡｒガスが送られ、イオン源電源２９により電圧を印加されてＡｒイオン３２を放出する。
【００５８】
一方、図において左側壁側には、イオンビームアシストを行うためにＮイオン３９を基板２１に照射するＮイオン銃３５が設けられており、このＮイオン銃３５にはＮ2 ガスボンベ３７から流量コントローラ３８を介してＮ2 ガスが送られ、イオン源電源３６により電圧を印加されてＮイオン３９を放出する。
【００５９】
また、ターゲット２５の近傍には、Ａｒイオン３２を収集するコレクタ電極３３が設けられており、アシスト工程においてこのコレクタ電極３３にコレクタ用バイアス電源３４により負電圧を印加することによって、Ａｒイオン３２を収集してＡｒイオン３２がターゲット２５に達しないようにする。
【００６０】
一方、基板２１の近傍には、Ｎイオン３９を収集するコレクタ電極４０が設けられており、スパッタリング工程においてこのコレクタ電極４０にコレクタ用バイアス電源４１により負電圧を印加することによって、Ｎイオン３９を収集してＮイオン３９が基板２１に達しないようにする。
【００６１】
また、試料導入用チャンバー１２には、流量コントローラ４３を介してＮ2 ガス等のパージガスを収容したパージガスボンベ４２よりパージガスが供給される。
【００６２】
また、試料導入用チャンバー１２内には試料搬送用治具４４が移動自在に挿入されており、この試料搬送用治具４４を移動させることによって、基板２１の交換時の出し入れを行う。
【００６３】
この試料搬送用治具４４にはバイアス電源４５が接続されており、基板２１の交換時に試料搬送用治具４４に正電圧を印加することによって、Ｎイオン３９或いはＡｒイオン３２を常時放出した状態でも、基板２１がＮイオン３９或いはＡｒイオン３２の影響を受けることがない。
【００６４】
図３参照
図３は、本発明の実施の形態のシーケンシャルイオンビームアシスト法によるＷＮ薄膜の成膜工程の一連の動作シーケンスにおけるバイアス電圧の説明図であるが、ここでは、基板２１を成膜用チャンバー１１内に搬入する前からＡｒイオン銃２８及びＮイオン銃３５をオンにして立ち上げておく。
【００６５】
まず、基板２１の搬入工程であるシーケンス１においては、コレクタ電極３３，４０に対して負電圧を印加してＡｒイオン３２及びＮイオン３９をコレクタ電極３３，４０に収集する。
【００６６】
この状態で、試料搬入用治具４４に対して正電圧を印加することによって、搬入時に基板２１にイオンビームが照射されるのを防ぎ、基板２１を基板ホルダ２０に保持・固定したのちは、バイアスをオフにする。
さらにこの時、ターゲットホルダ２４及び基板ホルダ２０にも正電圧を印加しておく。
【００６７】
次いで、第１回目のスパッタリング工程であるシーケンス２においては、ターゲット２５側のコレクタ電極３３のみに正電圧を印加するとともに、ターゲット２５に負電圧を印加する。
この時、Ａｒイオン３２がターゲット２５に衝突してターゲット２５を構成するＷを原子、分子レベルに分解したあと、拡散、吸着現象を利用して基板２１上にＷ薄膜として堆積させる。
【００６８】
次いで、第１回目にアシスト工程であるシーケンス３においては、ターゲット２５側のコレクタ電極３３に負電圧を印加するとともに、基板２１側のコレクタ電極４０に正電圧を印加する。
また、ターゲット２５に再び正電圧を印加するとともに、基板２１に負電圧を印加してＮイオン３９を基板２１に照射して、表面のＷ原子を物理的、化学的に活性化するとともに、ＮイオンをＷ薄膜内部に打ち込み、ＷＮを形成する。
【００６９】
このシーケンス２及びシーケンス３の組み合せを、シーケンス４及びシーケンス５、シーケンス６及びシーケンス７、・・・として必要回数だけ繰り返すことによって所期の膜厚ＤのＷＮ膜を得る。
【００７０】
この時、各シーケンスを制御性良く行うためには、基板２１及びターゲット２５のイオン電流を基板電流測定用電流計２２及びターゲット電流測定用電流計２６によってモニタして基板２１及びターゲット２５に印加するバイアス電圧を制御する必要がある。
【００７１】
特に、アシストプロセス時に、基板２１に対するバイアス電圧を制御することによって、単位時間当りのＮイオンの注入量を常に一定にできるので、この事情を図４及び図５を参照して説明する。
【００７２】
図４参照
図４は、本発明の実施の形態におけるアシストイオンのイオンビーム電流の変動の説明図であり、アシストプロセス時のイオンビーム電流の設計値が実線で示すようにＩs ＝０．６７ｍＡである場合、実際のイオンビーム電流が一連の点で示すように時間とともに増大し、且つ、設計値よりも大きな電流値になったとする。
【００７３】
図５参照
図５は、本発明の実施の形態における基板バイアス電圧の説明図であり、上述のイオンビーム電流の変動が生じた場合に、図５に示すように基板バイアスＶbiosを印加する。
このとき、１２００Ｖ以上の基板バイアスＶbiosのときに基板２１に到達するＮイオンが完全に0 になるとする。
【００７４】
それ以下の基板バイアスＶbiosでは、電圧値が高いほど基板２１に到達するＮイオンの数は減少するので、イオンビーム電流Ｉs が設計値に等しい電流となるように基板バイアスＶbiosを印加していけば、基板２１に照射されるイオンビーム電流は設計値どおりになる。
【００７５】
また、このことはターゲット２５においても同様であり，母材薄膜成膜シーケンスにおける基板２１への到達粒子数を常に一定に制御できる。
また、基板バイアス電圧Ｖbiosを大きくすることによって基板２１へのＮイオン流を収束できるので、イオン電流を増加させ，照射時間を短くすることができる。
【００７６】
このように、本発明の実施の形態においては、各シーケンス実行中に一方のイオンビームを基板バイアス或いはターゲットバイアスの電気的手段によってオフにする場合、コレクタ電極３３，４０に負電圧を印加することによって、成膜用チャンバー１１の内壁へのイオン照射を防ぐことができ、これによって成膜中の不純物発生を抑制することができる。
【００７７】
また、各イオンビームの電源を常時オンにして安定化させたところで、電気的手段によってオン／オフすることができるため、イオンビームの立ち上げ過程を省略できるので、成膜工程及びアシスト工程を安定に行うことができる。
【００７８】
また、基板搬送用冶具４４へも外部電源によるバイアス印加を可能にしているので、基板搬送過程においてもイオンビーム電源を常時オンにしておくことができ、次の成膜工程に移る際のイオンビーム立ち上げが不要であり，成膜時間の短縮及びスループットの向上が可能になる。
【００７９】
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明は実施の形態に記載した構成に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、ＷＮの形成工程として説明しているが、本発明は、この様なＷＮの形成工程に限られるものではなく、ＴａＮ或いはＴｉＮ等の他の金属窒化物の形成工程にも適用されるものである。
【００８０】
また、本発明は、金属窒化物の形成工程に限られるものではなく、アシストイオンをＣイオン或いはＯイオンとすることによって、金属炭化物或いは金属酸化物等の他の化合物薄膜を均一な組成で成膜することができる。
【００８１】
また、上記の実施の形態においては、各バイアス源を正電圧及び負電圧を発生することのできる直流電源としているが、パルス電源を用いても良いものであり、その場合には、上述の各シーケンスに同期したパルス電圧を印加することによって、安定度とスループットを大幅に改善できる。
【００８２】
また、上記の実施の形態においては半導体集積回路装置の製造工程として説明しているが、本発明は、半導体集積回路装置の製造工程に限られるものではなく、各種の化合物薄膜の形成工程に適用されるものであり、例えば、機械工具の表面コーティングにも適用されるものである。
【００８３】
【発明の効果】
本発明によれば、イオンビームアシスト工程において、単位時間のイオン注入量が一定になるように基板バイアスを制御しているので、イオンビーム電流が経時的に変動しても再現性の高いイオンビームアシスト工程を実行することができる。
【００８４】
また、本発明においては、不要時にイオンビームを収集するコレクタ電極を設けているので、イオンビームの電源を常時オンにして安定化させたところで、電気的手段によってオン／オフすることができ、それによって、イオンビームの立ち上げ過程を省略できるので、スループットが向上し、ひいては、半導体集積回路装置等の低コスト化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１ 】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態の化合物薄膜成膜装置の概略的構成図である。
【図３】本発明の実施の形態の各シーケンスにおけるバイアス電圧の説明図である。
【図４】本発明の実施の形態におけるアシストイオンのイオンビーム電流の変動の説明図である。
【図５】本発明の実施の形態における基板バイアス電圧の説明図である。
【図６】スパッタリング時の成膜装置の概略的構成図である。
【図７】アシスト時の成膜装置の概略的構成図である。
【図８】シーケンシャルイオンビームアシスト法における成膜状態とアシストイオン分布の説明図である。
【図９】シーケンシャルイオンビームアシスト法におけるパラメータの設計フローの説明図である。
【図１０】シーケンシャルイオンビームアシスト法における個別パラメータの設計フローの説明図である。
【図１１】注入窒素イオン深さ分布のシミュレーション結果の説明図である。
【図１２】設計したアシストプロセスにおけるイオンビーム照射時間の説明図である。
【図１３】イオンビーム電流が変動した場合のイオンビーム照射時間の説明図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ ターゲット
３ イオンビーム照射手段
４ イオンビーム照射手段
５ イオンビーム電流制御手段
６ コレクタ電極
７ コレクタ電極
８ コレクタ用バイアス電源
９ コレクタ用バイアス電源
１１ 成膜用チャンバー
１２ 試料導入用チャンバー
１３ ゲートバルブ
１４ 超高真空ポンプ
１５ ロータリーポンプ
１６ 排気口
１７ 超高真空ポンプ
１８ ロータリーポンプ
１９ 排気口
２０ 基板ホルダ
２１ 基板
２２ 基板電流測定用電流計
２３ 基板バイアス電源
２４ ターゲットホルダ
２５ ターゲット
２６ ターゲット電流測定用電流計
２７ ターゲットバイアス電源
２８ Ａｒイオン銃
２９ イオン源用電源
３０ Ａｒガスボンベ
３１ 流量コントローラ
３２ Ｎイオン
３３ コレクタ電極
３４ コレクタ用バイアス電源
３５ Ｎイオン銃
３６ イオン源用電源
３７ Ｎ2 ガスボンベ
３８ 流量コントローラ
３９ Ｎイオン
４０ コレクタ電極
４１ コレクタ用バイアス電源
４２ パージガスボンベ
４３ 流量コントローラ
４４ 試料搬送治具
４５ バイアス電源
５１ チャンバー
５２ 排気系
５３ ターゲットホルダ
５４ ターゲット
５５ 基板ホルダ
５６ 基板
５７ スパッタリング用イオン源
５８ Ａｒガス源
５９ 流量コントローラ
６０ シャッター
６１ アシスト用イオン源
６２ Ｎ2 ガス源
６３ 流量コントローラ
６４ シャッター
６５ ファラデーカップ
６６ 四重極ガスアナライザ
【発明の属する技術分野】
本発明は化合物薄膜成膜装置及び化合物薄膜成膜方法に関するものであり、例えば、半導体集積回路装置の配線層や、工具等の表面加工に用いられる化合物薄膜を均一な組成で再現性良く成膜するための構成に特徴のある化合物薄膜成膜装置及び化合物薄膜成膜方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
遷移金属の窒化物は、高融点、高硬度、低抵抗率などの特異な性質を持っているため、半導体技術分野や機械分野において積極的に使用されている。
【０００３】
例えば、半導体技術分野においては、配線層と層間絶縁膜間における熱プロセス中の相互拡散反応を防止する拡散防止膜として、高融点かつ高密度のチタンやタンタルの窒化物薄膜、即ち、ＴｉＮ膜やＴａＮ膜が用いられている。
【０００４】
また、Ｘ線リソグラフィ用のマスク材料開発においても、チタン、タンタル、タングステンの窒素含有薄膜が検討されており、さらに、機械分野においては、工具の表面加工などに主にチタンの窒化物膜が用いられており、表面強化だけでなく、その光沢性を活かした装飾膜としても使用されている。
【０００５】
この様な遷移金属窒化物、または他の金属窒化物薄膜の成膜には、純金属ターゲットを一旦分子、原子レベルに分解し、それを基板上に吸着させることを基本原理として、現在種々の方法が用いられている。
【０００６】
例えば、ターゲットを熱により昇華させ、基板上に吸着させる蒸着法や、イオンによるターゲット表面の物理的スパッタリングを用いたスパッタリング法などが挙げられる。
また、ターゲットを用いずに金属分子が含まれたガスを気相中で化学反応させることで、金属化合物薄膜を得るＣＶＤ法なども用いられている。
【０００７】
しかし、近年の半導体集積回路装置における配線パターンの微細化に伴い、配線層の抵抗と寄生容量増加による信号応答遅延時間増大の問題が深刻化しており、そのため、配線材料に抵抗率の極めて低い銅を用いることが検討され、現在も開発が進められている。
【０００８】
この銅はＳｉＯ2 膜等の層間絶縁膜中を容易に拡散するために拡散防止膜を必要としているが、この拡散防止膜に対してもさらなる薄膜化、低抵抗率化、高密度化など厳しい条件が求められている。
【０００９】
しかし、上述の従来の成膜方法では、遷移金属窒化物中の金属原子と窒素原子の組成比や膜厚などといった、膜構造に関するパラメータの精密な制御が難しいため、銅配線用の拡散防止膜は未だ完成に至ってはいないのが現状である。
【００１０】
そこで、近年、イオンビーム照射による金属ターゲットのスパッタリングと、金属薄膜への窒素イオンビーム照射による金属窒化を組み合わせ、2 つのイオンビームのパラメータを制御することで、作製困難な組成比の遷移金属窒化物薄膜を実現するイオンビームアシスト法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【００１１】
本発明者等は、このイオンビームアシスト法をさらに発展させて、窒素イオンビーム照射に伴うスパッタエッチングによる膜厚減りを利用して多段階の工程を繰り返すことによって金属窒化膜の組成を制御するシーケンシャルイオンビームアシスト法（例えば、非特許文献２参照）を提案している。
【００１２】
このシーケンシャルイオンビームアシスト法は、スパッタリングによる金属膜の成膜プロセス、即ち、スパッタリングプロセスと、窒素イオン照射による金属膜の窒化プロセス、即ち、アシストプロセスとの２つの大きなプロセスに分かれるので、以下において、図６乃至図１１を参照して説明する。
【００１３】
図６参照
図６は、スパッタリング時における成膜装置の概略的構成図であり、排気系５２に接続されたチャンバー５１、ターゲット５４を保持するとともに回転させるターゲットホルダ５３、基板５６を保持するとともに回転させる基板ホルダ５５、ターゲット５４に流量コントローラ５９を介してＡｒガス源５８から送られたＡｒをイオン化して照射するスパッタリング用イオン源５７、アシストプロセスにおいてターゲット５４からの金属原子，分子の基板５６への飛散を防止するシャッター６０、基板５６に流量コントローラ６３を介してＮ2 ガス源６２からおくられたＮ2 をイオン化して照射するアシスト用イオン源６１、スパッタリングプロセスにおいて基板５６にＮイオンが照射されることを防止するシャッター６４、Ｎイオンの照射量をモニタするファラデーカップ６５、及び、四重極ガスアナライザ６６によって構成される。
なお、基板ホルダ５５は基板５６を所定温度に加熱するためにヒータを内蔵している。
【００１４】
スパッタリングプロセスにおいては、図に示すようにシャッター６０が開にされるとともに、シャッター６４は閉にされ、Ａｒイオンがターゲット５４に照射されてターゲット５４を原子、分子レベルに分解したあと、拡散、吸着現象を利用して基板５６上にＷ等の金属膜として堆積させる。
【００１５】
図７参照
図７は、アシスト時における成膜装置の概略的構成図であり、図に示すようにシャッター６０が閉にされるとともに、シャッター６４は開にされ、ターゲット５４からの金属分子・原子は遮蔽された状態で、基板５６上に堆積した金属膜にＮイオンが照射されて表面の金属原子を物理的、化学的に活性化するとともに、Ｎイオンを金属薄膜内部に打ち込み、窒化させ、金属膜を窒化する。
【００１６】
これらのスパッタリングプロセス及びアシストプロセスを交互に繰り返すことによって所望の膜厚を堆積させるものである。
このシーケンシャルイオンビームアシスト法では、予めイオン注入シミュレーションを用いてパラメータを設計し、成膜する方法であるので図８を参照して説明する。
【００１７】
図８（ａ）参照
図８（ａ）は、シーケンシャルイオンビームアシスト法における成膜状態の説明図であり、ここで重要なのは、スパッタリングプロセスで成膜される金属薄膜の膜厚ΔＤとアシストプロセスで薄膜が削られる膜厚ΔＳである。
スパッタリングプロセスとアシストプロセスを１回ずつ行ったとき、残った薄膜の膜厚はΔＤ−ΔＳとなり、この交互プロセスをｎ回繰り返すことによって所期の膜厚Ｄが得られる。
【００１８】
図８（ｂ）参照
図８（ｂ）は、アシストイオン分布の説明図であり、交互プロセスを１回行ったときに残った薄膜の膜厚ΔＤ−ΔＳが、窒素イオンの平均注入深さＲp よりも薄いとき、この交互プロセスを数回繰り返すことで、均一な注入分布が得られ、良質な金属窒化物薄膜が得られることになる。
【００１９】
次に、図９及び図１０を参照して、シーケンシャルイオンビームアシスト法におけるパラメータの設計フローを説明する。
図９、図１０（ａ）乃至（ｄ）参照
図９は、全体のパラメータの設計フローチャートであり、また、図１０（ａ）乃至（ｄ）は個別のパラメータの設計フローチャートである。
【００２０】
まず、窒素イオン平均注入深さＲp ができるだけ大きくなるように、イオン注入シミュレーションから、アシストイオンビームの注入エネルギーＥと注入角度θを決定する。
例えば、モンテカルロ法によりイオン注入過程のシミュレーションを行うソフトＴＲＩＭ（ｔｈｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｏｆ Ｉｏｎｓ ｉｎ Ｍａｔｔｅｒ）を用いて行う。
【００２１】
次いで、１周期（スパッタリングプロセスを1 回、アシストプロセスを1 回）の交互プロセス後に残る膜厚ΔＤ−ΔＳをＲp より小さい値で設定し、それを目標膜厚Ｄで割って、繰り返し回数ｎを決定する。
【００２２】
次いで、アシストプロセスでのイオン注入総量Ｉと金属原子の密度Ｙとの関係から、所望の組成比となるための条件が決まり、ΔＳが決定する。
この決定したΔＳからイオンエッチレートＲs に基づいてアシストイオン照射時間ｔs （＝ΔＳ／Ｒs ）が決定される。
【００２３】
次いで、このΔＳの値と、先に決定したΔＤ−ΔＳから、ΔＤも決定される。
この決定したΔＤからスパッタリングによる成膜レートＲd に基づいてスパッタリング用イオン照射時間ｔd （＝ΔＤ／Ｒd ）が決定される。
【００２４】
最後に、これらのパラメータを用いて再度イオン注入シミュレーションを行い、注入窒素イオンの深さ方向の分布を確認し、金属原子との量的関係を検討し、最終パラメータとする。
【００２５】
図１１参照
図１１は、図９及び図１０に示したフローチャートに従って設計した各パラメータを用いて、タングステン（Ｗ）に窒素イオンビームを注入したときの、注入窒素イオン深さ分布のシミュレーション結果を示したものである。
図に示すように、１周期のプロセスではタングステン原子に比べ、注入窒素イオンの濃度Ｎd は低いが、これを１０周期繰り返して行うと、タングステンとほぼ同等の窒素イオン濃度で注入できていることが分かる。
【００２６】
【非特許文献１】
Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３６，ｐ．２３０８，１９９７
【非特許文献２】
第４７回応用物理学関係連合講演会講演予稿集，Ｎｏ．２，ｐｐ．６２０，２０００
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の方法を実際に行うとき、イオンビーム電流が時間的に不安定であれば、アシストプロセスにおいて、一定のビーム照射時間に対するビーム照射量が設計値と異なってしまうという問題があり、薄膜の目標膜厚Ｄが薄くなるほど、その誤差が無視できなくなる。
【００２８】
また、スパッタリングプロセスである金属膜成膜プロセスの膜厚ΔＤと、アシストプロセスである金属膜の窒化プロセスの膜厚ΔＳのバランスがくずれるために、金属と窒素の組成比も設計値と異なったものになるという問題があるので、図１２及び図１３を参照してこの事情を説明する。
【００２９】
図１２参照
図１２は、設計したアシストプロセスにおけるイオンビーム照射時間の説明図であり、イオン注入量（＝イオン電流Ｉs ×イオンビーム照射時間）を一定に設定していることを示す。
【００３０】
図１３参照
しかし、実際のイオンビーム電流が、図１３において破線で示すように時間とともに増加しているとすると、従来は、その時のイオン電流値を読み取って、イオン注入量が一定になるように、図において実線で示すようにイオンビーム照射時間をその都度変更していた。
【００３１】
この手法では、イオンビーム照射時間を固定できないばかりか、イオンビームの不安定性に一貫した特性が無いと、自動制御が難しくなるという問題がある。
【００３２】
さらに、従来の装置構成では、成膜チャンバー内への基板搬入時や、基板交換時にはイオンビームを完全に停止させなければならないため、成膜時は、イオンビーム本体を立ち上げて、ビーム電流が安定になるまで待たなければならず、成膜のスループットが低下するという問題もある。
【００３３】
また、機械的なシャッターの開閉によりイオンビームの照射を制御しているため、遮断時にシャッター材料のスパッタリングが起こり、これにより、成膜した薄膜中にシャッター材料に起因する不純物が混入するという問題があり、特に、目標膜厚Ｄが薄くなるほど、この不純物の発生は深刻になる。
【００３４】
したがって、本発明は、イオンビーム照射時間を一定にしてスループットを向上するとともに、機械的シャッターに起因する問題を回避することを目的とする。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
図１は、本発明の原理的構成の説明図であり、ここで、図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
（１）上記の目的を達成するため、本発明は、化合物薄膜成膜装置において、母材薄膜を成膜する成膜手段と、母材薄膜に反応性イオンビームを照射して化合物薄膜に変換する第１のイオンビーム照射手段３と、化合物薄膜を成膜させるための基板１に電圧を印加できる電源を備えた基板バイアス手段と、第１のイオンビーム照射手段３から基板１に対してイオンビームを照射した際に、基板１におけるイオンビーム電流を単位時間当たりのイオン注入量が等しくなるように、基板バイアス手段により基板バイアス電圧でイオンビーム電流を制御するイオンビーム電流制御手段５と、第１のイオンビーム照射手段３から照射されたイオンを収集するための第１のコレクタ電極６とコレクタ用バイアス電源８を備えているイオンビーム収集手段を少なくとも備えたことを特徴とする。
【００３６】
この様に、第１のイオンビーム照射手段３におけるイオンビーム電流を、基板バイアス手段により基板バイアス電圧で単位時間当りのイオン注入量が等しくなるように制御することにより、イオンビーム電流が時間的増大するような場合でも、安定なイオン注入量を得ることができ、化合物薄膜の組成を再現性良く均一にすることができる。
【００３７】
（２）また、本発明は、上記（１）において、母材薄膜を成膜する成膜手段が、スパッタリング成膜手段からなることを特徴とし、それによって、シーケンシャルイオンビームアシスト成膜装置を構成することができる。
【００３８】
（３）また、本発明は、上記（１）または（２）において、母材薄膜が、金属薄膜であることを特徴とする。
（４）また、本発明は、上記（３）において、金属薄膜を構成する金属が、遷移金属であることを特徴とする。
（５）また、本発明は、上記（４）において、遷移金属が、タングステンであることを特徴とする。
【００３９】
シーケンシャルイオンビームアシスト成膜装置は、母材薄膜が金属薄膜、特に、安定した組成の化合物の形成が困難なタングステン等の遷移金属からなる薄膜の場合に好適となる。
【００４０】
（６）また、本発明は、上記（１）または（５）のいずれかにおいて、反応性イオンが、窒素イオンであることを特徴とする。
【００４１】
この様に、反応性イオンとして窒素イオンを用いることによって、従来は困難であった遷移金属の窒化物を再現性良く形成することができる。
【００４２】
（７）また、本発明は、上記（２）において、スパッタリング成膜手段を構成する第２のイオンビーム照射手段４が、第２のイオンビーム照射手段４から照射されたイオンを収集する第２のコレクタ電極７とコレクタ用バイアス電源９を備え、スパッタリング成膜手段を構成する母材スパッタリングターゲットにバイアスを印加できるスパッタリングターゲット用バイアス電源を備えていることを特徴とする
【００４３】
この様に、イオンビームに対するシャッターをコレクタ電極とコレクタ用バイアス電源によって構成することによって、機械的シャッターが不要になり、シャッターのイオンエッチングに起因する汚染を回避することができる。
【００４４】
（８）また、本発明は、上記（７）において、母材薄膜を成膜させるための基板１を移動させる基板搬送治具に、バイアス電圧印加手段を設けたことを特徴とする。
【００４５】
この様に、基板搬送治具に、バイアス電圧印加手段を設けることによって、基板１の交換時に、基板１がイオンビームから受ける影響を低減することができる。
【００４６】
（９）また、本発明は、上記（７）または（８）に記載の化合物薄膜成膜装置を用いた化合物薄膜成膜方法において、第１のイオンビーム照射手段３におけるイオンビーム電流を基板バイアス電圧により制御することを特徴とする。
【００４７】
イオンビーム電流が経時的増大する場合、基板バイアス電圧を経時的に大きくなるように制御することによって、基板１に達する単位時間当たりのイオン量は一定になり、したがって、照射時間をその都度変化させることなく、所望の組成の化合物薄膜を得ることができる。
【００４８】
（１０）また、本発明は、上記（９）において、母材薄膜の成膜開始前に、第１及び第２のイオンビーム照射手段３，４をオン状態にすることを特徴とする。
【００４９】
この様に、母材薄膜の成膜開始前に、第１及び第２のイオンビーム照射手段３，４をオン状態にすることによって、イオンビームの立ち上がり時の不安定性による品質のバラツキを低減することができ、且つ、スループットが向上する。
【００５０】
（１１）また、本発明は、上記（７）または（８）に記載の化合物薄膜成膜装置を用いた化合物薄膜成膜方法において、母材薄膜を成膜させるための基板１を交換する時に、基板搬送治具にバイアス電圧を印加するとともに、第１及び第２のイオンビーム照射手段３，４をオン状態にすることを特徴とする。
【００５１】
この様に、基板搬送治具にバイアス電圧を印加することによって、基板１の交換時にも第１及び第２のイオンビーム照射手段３，４をオン状態のままにすることができ、それによって、常に安定なイオンビーム電流を維持することができるので、化合物薄膜の品質を安定にすることができるとともに、スループットを向上することができる。
【００５２】
（１２）また、本発明は、上記（９）乃至（１１）のいずれかにおいて、母材薄膜の成膜工程において、上記第１のコレクタ電極６に第１のイオンビーム照射手段３からのイオンビームを収集する極性の電圧を印加し、化合物薄膜への変換工程において、第２のコレクタ電極７に第２のイオンビーム照射手段４からのイオンビームを収集する極性の電圧を印加することを特徴とする。
【００５３】
このように、成膜工程と、変換工程、即ち、アシスト工程とを交互に行う場合、第１及び第２のコレクタ電極６，７を交互にオン状態することによって、常にイオンビームを流した状態で成膜することができるとともに、機械的シャッターに起因する汚染を発生させることない。
【００５４】
【発明の実施の形態】
ここで、図２乃至図５を参照して、本発明の実施の形態のシーケンシャルイオンビームアシスト法によるＷＮ薄膜の成膜工程を説明する。
図２参照
図２は、本発明の実施の形態の化合物薄膜成膜装置の概略的構成図であり、この化合物薄膜成膜装置は成膜用チャンバー１１と、成膜用チャンバー１１とゲートバルブ１３を介して接続された試料導入用チャンバー１２とによって構成され、成膜用チャンバー１１及び試料導入用チャンバー１２は、超高真空ポンプ１４，１７及びロータリーポンプ１５，１８を介して排気口１６，１９に接続されており、例えば、１０-7Ｐａ程度の高真空が得られるようになっている。
【００５５】
この成膜用チャンバー１１の上側に、所定のデバイスを作成したＳｉウェハ等の基板２１を保持して回転させる基板ホルダ２０が設けられており、この電極を兼ねる基板ホルダ２０には基板電流測定用電流計２２を介して基板バイアス電源２３が接続されている。
【００５６】
一方、成膜用チャンバー１１の下側に、Ｗからなるターゲット２５を保持して回転させるターゲットホルダ２４が設けられており、この電極を兼ねるターゲットホルダ２４にはターゲット電流測定用電流計２６を介してターゲットバイアス電源２７が接続されている。
【００５７】
また、図において右側壁側には、スパッタリングを行うためにＡｒイオン３２をターゲット２５に照射するＡｒイオン銃２８が設けられており、このＡｒイオン銃２８にはＡｒガスボンベ３０から流量コントローラ３１を介してＡｒガスが送られ、イオン源電源２９により電圧を印加されてＡｒイオン３２を放出する。
【００５８】
一方、図において左側壁側には、イオンビームアシストを行うためにＮイオン３９を基板２１に照射するＮイオン銃３５が設けられており、このＮイオン銃３５にはＮ2 ガスボンベ３７から流量コントローラ３８を介してＮ2 ガスが送られ、イオン源電源３６により電圧を印加されてＮイオン３９を放出する。
【００５９】
また、ターゲット２５の近傍には、Ａｒイオン３２を収集するコレクタ電極３３が設けられており、アシスト工程においてこのコレクタ電極３３にコレクタ用バイアス電源３４により負電圧を印加することによって、Ａｒイオン３２を収集してＡｒイオン３２がターゲット２５に達しないようにする。
【００６０】
一方、基板２１の近傍には、Ｎイオン３９を収集するコレクタ電極４０が設けられており、スパッタリング工程においてこのコレクタ電極４０にコレクタ用バイアス電源４１により負電圧を印加することによって、Ｎイオン３９を収集してＮイオン３９が基板２１に達しないようにする。
【００６１】
また、試料導入用チャンバー１２には、流量コントローラ４３を介してＮ2 ガス等のパージガスを収容したパージガスボンベ４２よりパージガスが供給される。
【００６２】
また、試料導入用チャンバー１２内には試料搬送用治具４４が移動自在に挿入されており、この試料搬送用治具４４を移動させることによって、基板２１の交換時の出し入れを行う。
【００６３】
この試料搬送用治具４４にはバイアス電源４５が接続されており、基板２１の交換時に試料搬送用治具４４に正電圧を印加することによって、Ｎイオン３９或いはＡｒイオン３２を常時放出した状態でも、基板２１がＮイオン３９或いはＡｒイオン３２の影響を受けることがない。
【００６４】
図３参照
図３は、本発明の実施の形態のシーケンシャルイオンビームアシスト法によるＷＮ薄膜の成膜工程の一連の動作シーケンスにおけるバイアス電圧の説明図であるが、ここでは、基板２１を成膜用チャンバー１１内に搬入する前からＡｒイオン銃２８及びＮイオン銃３５をオンにして立ち上げておく。
【００６５】
まず、基板２１の搬入工程であるシーケンス１においては、コレクタ電極３３，４０に対して負電圧を印加してＡｒイオン３２及びＮイオン３９をコレクタ電極３３，４０に収集する。
【００６６】
この状態で、試料搬入用治具４４に対して正電圧を印加することによって、搬入時に基板２１にイオンビームが照射されるのを防ぎ、基板２１を基板ホルダ２０に保持・固定したのちは、バイアスをオフにする。
さらにこの時、ターゲットホルダ２４及び基板ホルダ２０にも正電圧を印加しておく。
【００６７】
次いで、第１回目のスパッタリング工程であるシーケンス２においては、ターゲット２５側のコレクタ電極３３のみに正電圧を印加するとともに、ターゲット２５に負電圧を印加する。
この時、Ａｒイオン３２がターゲット２５に衝突してターゲット２５を構成するＷを原子、分子レベルに分解したあと、拡散、吸着現象を利用して基板２１上にＷ薄膜として堆積させる。
【００６８】
次いで、第１回目にアシスト工程であるシーケンス３においては、ターゲット２５側のコレクタ電極３３に負電圧を印加するとともに、基板２１側のコレクタ電極４０に正電圧を印加する。
また、ターゲット２５に再び正電圧を印加するとともに、基板２１に負電圧を印加してＮイオン３９を基板２１に照射して、表面のＷ原子を物理的、化学的に活性化するとともに、ＮイオンをＷ薄膜内部に打ち込み、ＷＮを形成する。
【００６９】
このシーケンス２及びシーケンス３の組み合せを、シーケンス４及びシーケンス５、シーケンス６及びシーケンス７、・・・として必要回数だけ繰り返すことによって所期の膜厚ＤのＷＮ膜を得る。
【００７０】
この時、各シーケンスを制御性良く行うためには、基板２１及びターゲット２５のイオン電流を基板電流測定用電流計２２及びターゲット電流測定用電流計２６によってモニタして基板２１及びターゲット２５に印加するバイアス電圧を制御する必要がある。
【００７１】
特に、アシストプロセス時に、基板２１に対するバイアス電圧を制御することによって、単位時間当りのＮイオンの注入量を常に一定にできるので、この事情を図４及び図５を参照して説明する。
【００７２】
図４参照
図４は、本発明の実施の形態におけるアシストイオンのイオンビーム電流の変動の説明図であり、アシストプロセス時のイオンビーム電流の設計値が実線で示すようにＩs ＝０．６７ｍＡである場合、実際のイオンビーム電流が一連の点で示すように時間とともに増大し、且つ、設計値よりも大きな電流値になったとする。
【００７３】
図５参照
図５は、本発明の実施の形態における基板バイアス電圧の説明図であり、上述のイオンビーム電流の変動が生じた場合に、図５に示すように基板バイアスＶbiosを印加する。
このとき、１２００Ｖ以上の基板バイアスＶbiosのときに基板２１に到達するＮイオンが完全に0 になるとする。
【００７４】
それ以下の基板バイアスＶbiosでは、電圧値が高いほど基板２１に到達するＮイオンの数は減少するので、イオンビーム電流Ｉs が設計値に等しい電流となるように基板バイアスＶbiosを印加していけば、基板２１に照射されるイオンビーム電流は設計値どおりになる。
【００７５】
また、このことはターゲット２５においても同様であり，母材薄膜成膜シーケンスにおける基板２１への到達粒子数を常に一定に制御できる。
また、基板バイアス電圧Ｖbiosを大きくすることによって基板２１へのＮイオン流を収束できるので、イオン電流を増加させ，照射時間を短くすることができる。
【００７６】
このように、本発明の実施の形態においては、各シーケンス実行中に一方のイオンビームを基板バイアス或いはターゲットバイアスの電気的手段によってオフにする場合、コレクタ電極３３，４０に負電圧を印加することによって、成膜用チャンバー１１の内壁へのイオン照射を防ぐことができ、これによって成膜中の不純物発生を抑制することができる。
【００７７】
また、各イオンビームの電源を常時オンにして安定化させたところで、電気的手段によってオン／オフすることができるため、イオンビームの立ち上げ過程を省略できるので、成膜工程及びアシスト工程を安定に行うことができる。
【００７８】
また、基板搬送用冶具４４へも外部電源によるバイアス印加を可能にしているので、基板搬送過程においてもイオンビーム電源を常時オンにしておくことができ、次の成膜工程に移る際のイオンビーム立ち上げが不要であり，成膜時間の短縮及びスループットの向上が可能になる。
【００７９】
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明は実施の形態に記載した構成に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、ＷＮの形成工程として説明しているが、本発明は、この様なＷＮの形成工程に限られるものではなく、ＴａＮ或いはＴｉＮ等の他の金属窒化物の形成工程にも適用されるものである。
【００８０】
また、本発明は、金属窒化物の形成工程に限られるものではなく、アシストイオンをＣイオン或いはＯイオンとすることによって、金属炭化物或いは金属酸化物等の他の化合物薄膜を均一な組成で成膜することができる。
【００８１】
また、上記の実施の形態においては、各バイアス源を正電圧及び負電圧を発生することのできる直流電源としているが、パルス電源を用いても良いものであり、その場合には、上述の各シーケンスに同期したパルス電圧を印加することによって、安定度とスループットを大幅に改善できる。
【００８２】
また、上記の実施の形態においては半導体集積回路装置の製造工程として説明しているが、本発明は、半導体集積回路装置の製造工程に限られるものではなく、各種の化合物薄膜の形成工程に適用されるものであり、例えば、機械工具の表面コーティングにも適用されるものである。
【００８３】
【発明の効果】
本発明によれば、イオンビームアシスト工程において、単位時間のイオン注入量が一定になるように基板バイアスを制御しているので、イオンビーム電流が経時的に変動しても再現性の高いイオンビームアシスト工程を実行することができる。
【００８４】
また、本発明においては、不要時にイオンビームを収集するコレクタ電極を設けているので、イオンビームの電源を常時オンにして安定化させたところで、電気的手段によってオン／オフすることができ、それによって、イオンビームの立ち上げ過程を省略できるので、スループットが向上し、ひいては、半導体集積回路装置等の低コスト化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１ 】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態の化合物薄膜成膜装置の概略的構成図である。
【図３】本発明の実施の形態の各シーケンスにおけるバイアス電圧の説明図である。
【図４】本発明の実施の形態におけるアシストイオンのイオンビーム電流の変動の説明図である。
【図５】本発明の実施の形態における基板バイアス電圧の説明図である。
【図６】スパッタリング時の成膜装置の概略的構成図である。
【図７】アシスト時の成膜装置の概略的構成図である。
【図８】シーケンシャルイオンビームアシスト法における成膜状態とアシストイオン分布の説明図である。
【図９】シーケンシャルイオンビームアシスト法におけるパラメータの設計フローの説明図である。
【図１０】シーケンシャルイオンビームアシスト法における個別パラメータの設計フローの説明図である。
【図１１】注入窒素イオン深さ分布のシミュレーション結果の説明図である。
【図１２】設計したアシストプロセスにおけるイオンビーム照射時間の説明図である。
【図１３】イオンビーム電流が変動した場合のイオンビーム照射時間の説明図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ ターゲット
３ イオンビーム照射手段
４ イオンビーム照射手段
５ イオンビーム電流制御手段
６ コレクタ電極
７ コレクタ電極
８ コレクタ用バイアス電源
９ コレクタ用バイアス電源
１１ 成膜用チャンバー
１２ 試料導入用チャンバー
１３ ゲートバルブ
１４ 超高真空ポンプ
１５ ロータリーポンプ
１６ 排気口
１７ 超高真空ポンプ
１８ ロータリーポンプ
１９ 排気口
２０ 基板ホルダ
２１ 基板
２２ 基板電流測定用電流計
２３ 基板バイアス電源
２４ ターゲットホルダ
２５ ターゲット
２６ ターゲット電流測定用電流計
２７ ターゲットバイアス電源
２８ Ａｒイオン銃
２９ イオン源用電源
３０ Ａｒガスボンベ
３１ 流量コントローラ
３２ Ｎイオン
３３ コレクタ電極
３４ コレクタ用バイアス電源
３５ Ｎイオン銃
３６ イオン源用電源
３７ Ｎ2 ガスボンベ
３８ 流量コントローラ
３９ Ｎイオン
４０ コレクタ電極
４１ コレクタ用バイアス電源
４２ パージガスボンベ
４３ 流量コントローラ
４４ 試料搬送治具
４５ バイアス電源
５１ チャンバー
５２ 排気系
５３ ターゲットホルダ
５４ ターゲット
５５ 基板ホルダ
５６ 基板
５７ スパッタリング用イオン源
５８ Ａｒガス源
５９ 流量コントローラ
６０ シャッター
６１ アシスト用イオン源
６２ Ｎ2 ガス源
６３ 流量コントローラ
６４ シャッター
６５ ファラデーカップ
６６ 四重極ガスアナライザ
Claims (12)
- 母材薄膜を成膜する成膜手段と、前記母材薄膜に反応性イオンビームを照射して化合物薄膜に変換する第１のイオンビーム照射手段と、前記化合物薄膜を成膜させるための基板に電圧を印加できる電源を備えた基板バイアス手段と、前記第１のイオンビーム照射手段から前記基板に対してイオンビームを照射した際に、前記基板におけるイオンビーム電流を単位時間当たりのイオン注入量が等しくなるように、前記基板バイアス手段により基板バイアス電圧でイオンビーム電流を制御するイオンビーム電流制御手段と、前記第１のイオンビーム照射手段から照射されたイオンを収集するための第１のコレクタ電極とコレクタ用バイアス電源を備えているイオンビーム収集手段を少なくとも備えたことを特徴とする化合物薄膜成膜装置。
- 上記母材薄膜を成膜する成膜手段が、スパッタリング成膜手段からなることを特徴とする請求項１記載の化合物薄膜成膜装置。
- 上記母材薄膜が、金属薄膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の化合物薄膜成膜装置。
- 上記金属薄膜を構成する金属が、遷移金属であることを特徴とする請求項３記載の化合物薄膜成膜装置。
- 上記遷移金属が、タングステンであることを特徴とする請求項４記載の化合物薄膜成膜装置。
- 上記反応性イオンが、窒素イオンであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の化合物薄膜成膜装置。
- 上記スパッタリング成膜手段を構成する第２のイオンビーム照射手段が、前記第２のイオンビーム照射手段から照射されたイオンを収集する第２のコレクタ電極とコレクタ用バイアス電源を備え、前記スパッタリング成膜手段を構成する母材スパッタリングターゲットにバイアスを印加できるスパッタリングターゲット用バイアス電源を備えていることを特徴とする請求項２記載の化合物薄膜成膜装置。
- 上記母材薄膜を成膜させるための基板を移動させる基板搬送治具に、バイアス電圧印加手段を設けたことを特徴とする請求項７記載の化合物薄膜成膜装置。
- 請求項７または８に記載の化合物薄膜成膜装置を用いた化合物薄膜成膜方法において、上記第１のイオンビーム照射手段におけるイオンビーム電流を基板バイアス電圧により制御することを特徴とする化合物薄膜成膜方法。
- 上記母材薄膜の成膜開始前に、上記第１及び第２のイオンビーム照射手段をオン状態にすることを特徴とする請求項９記載の化合物薄膜成膜方法。
- 請求項７または８に記載の化合物薄膜成膜装置を用いた化合物薄膜成膜方法において、上記母材薄膜を成膜させるための基板を交換する時に、上記基板搬送治具にバイアス電圧を印加するとともに、上記第１及び第２のイオンビーム照射手段をオン状態にすることを特徴とする化合物薄膜成膜方法。
- 上記母材薄膜の成膜工程において、上記第１のコレクタ電極に第１のイオンビーム照射手段からのイオンビームを収集する極性の電圧を印加し、上記化合物薄膜への変換工程において、上記第２のコレクタ電極に第２のイオンビーム照射手段からのイオンビームを収集する極性の電圧を印加することを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の化合物薄膜成膜方法。
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