JP3956406B2 - スパッタ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スパッタ装置に関し、更に詳しくは、ポイズンドビア（Poisoned Via）の発生を防止して良好な金属配線層を成膜する配線形成方法に使用するスパッタ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの配線形成では、一般に、ビアホールの形成された層間絶縁膜上にスパッタ装置で金属配線層を成膜し、エッチングを行い金属配線を形成している。
図４は、従来のスパッタ装置の概念を示す側面断面図である。従来の直流放電型のスパッタ装置１０は、チャンバ１２と、高電圧を供給する直流電源１３とを備えている。
チャンバ１２は、成膜時に高電圧の陰電圧が印加される放電電極である金属ターゲット１４と、ターゲット１４に対向し、基板の加熱機構及び水冷による基板の間接冷却機構を有し、基板を載せて保持するホルダ１５とを備えている。更に、放電に使用するＡｒ等の不活性ガスを導入するガス導入管１６と、チャンバ１２内を真空排気する排気管１８とを備えている。
【０００３】
スパッタ装置１０を用いて基板に金属配線層を成膜するには、成膜する組成物質からなるターゲット１４を装着し、基板２０をホルダ１５に載せ、チャンバ１２内を真空排気後、不活性ガスを導入し、高電圧を印加して放電し、スパッタリングにより成膜する。
従来、成膜する際、金属配線層の膜質を安定させステップカバレジを良くするために、基板を加熱しながらスパッタリングしている。具体的には、基板は、予備加熱では１５０℃、金属配線層の成膜時では２５０℃に加熱、保持されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の方法では、ポイズンドビアがビアホールに発生し、配線材料がポイズンドビア内に異常成長し、導通不良が発生し易いという問題があった。層間絶縁膜として塗布ガラス膜であるＳＯＧ（Spin On Glass ）膜を成膜する際、ＳＯＧ膜がビアホール側壁に露出していると、ポイズンドビアが発生して配線材料がポイズンドビア内に異常成長する傾向が、更に強くなる。図３は、スパッタ装置１０を用い、ＳＯＧ膜がビアホール内に露出している基板に、基板温度２２０℃にしてＡｌ膜をスパッタリングにより成膜し、エッチングしてＡｌ配線２２を形成した一例の平面図である。ポイズンドビアを有するビアホール２４内には、Ａｌが異常成長している。
【０００５】
以上のような事情に照らして、本発明の目的は、ポイズンドビアの発生を防止して良好な金属配線層を成膜するスパッタ装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、基板が加熱されると、層間絶縁膜からビアホール内にガスが放出され易いことに着目した。そして、スパッタリングにより金属配線層を成膜する際、基板が加熱されて層間絶縁膜からガスが放出され、この結果、ポイズンドビアが発生して配線材料が異常成長することを突き止めた。層間絶縁膜がＳＯＧ膜であると、ビアホールの壁面から水蒸気が発生し易く、ポイズンドビアが発生する傾向が特に強くなることも突き止めた。
そこで、本発明者は、ポイズンドビアの発生を防止する対策として、ビアホール側壁にＳＯＧ膜を露出させないことを検討した。しかし、エッチバック等の工程を追加する必要があることや、ＳＯＧ膜の平坦性が悪化するという別の問題が発生した。また、別の対策として、加熱されても水蒸気の放出量の少ない材質のＳＯＧ膜を成膜することも検討した。しかし、加熱されても水蒸気の放出量が十分に少ないＳＯＧ膜の成膜材料は、現状では存在せず、このため、水蒸気放出量を十分に抑えることができない。
そこで、本発明者は、鋭意検討の結果、層間絶縁膜の温度が低いと、層間絶縁膜から放出されるガス量が少ないことに着眼し、スパッタリングにより金属配線層を成膜する際、基板温度を一定温度以下に下げることを見い出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係るスパッタ装置は、チャンバとチャンバ内に基板の裏面を保持するホルダとを備えたスパッタ装置において、
ホルダは、基板の裏面に０℃以下の温度の不活性ガスを吹き付けて基板を直接的に冷却する手段と、冷媒を通す管群を備え、冷媒からの輻射冷熱により基板を間接的に冷却する手段とを有することを特徴としている。
本発明に係るスパッタ装置は、成膜時に冷却される必要のある全ての基板に適用できる。
基板に吹き付けた不活性ガスを、基板とホルダの基板保持面との間からチャンバ内に導入するようにした構造のスパッタ装置であると、吹き付ける不活性ガスを放電用の不活性ガスと同じ種類にすることにより、ガスを有効に利用することができる。不活性ガスは一般的にはＡｒガスである。
【０００８】
また、本発明に係るスパッタ装置を使用した配線形成方法は、下層配線層又は拡散領域上に層間絶縁膜を有する基板の層間絶縁膜にビアホールを開口し、次いで、スパッタリングにより金属配線層を層間絶縁膜上に成膜しながらビアホールを埋め込み、エッチングして上層配線を形成する配線形成方法において、
金属配線層を成膜する際、基板の温度を１００℃以下に維持してスパッタリングにより金属配線層を成膜することを特徴としている。
これにより、スパッタリングにより金属配線層を成膜する際、層間絶縁膜の壁面からビアホール内に放出されるガス量を抑えることができるので、ポイズンドビアの発生を防止でき、良好な金属配線層を成膜することができる。
金属配線層を成膜する際、本発明に係るスパッタ装置を用いて基板の温度を１００℃以下に維持すると、不活性ガスが有効利用されるので、経済的に成膜することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、実施例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態をより具体的に説明する。
スパッタ装置の実施例
本実施例は、本発明に係るスパッタ装置の実施例である。図１は、本実施例の直流放電型スパッタ装置の基板冷却機構の側面断面図である。本実施例のスパッタ装置２５は、スパッタ装置１０で、基板を保持する天井壁を有し、輻射冷却による冷却手段と、冷温のＡｒガスを基板に吹き付ける冷却手段とをするホルダ２６をホルダ１５に代えて備えているスパッタ装置である。よって、図４に示したスパッタ装置１０と同じ部品には同じ符号を付してその説明を省略する。
【００１０】
ホルダ２６は、短い円筒状で、内部に冷却室２７を有し、室の天井壁上に基板を保持する短円柱状のホルダ本体２８と、ホルダ本体２８に摺動自在に着脱され、基板２９の上面周縁を上から押さえる押さえチャック３０とを備えている。
押さえチャック３０は、短円筒状で中空の縁部と、縁部上端から中心軸に向けて突き出たリング状円板の押さえ部とから構成される。押さえ部の代わりに中心軸に向いた爪が数本形成されていてもよい。
縁部下端とホルダ本体２８との間には、基板保持時に押さえチャック３０に引張力を加えるバネ３２が、数カ所にわたり取り付けられている。
ホルダ本体２８の天井壁には、冷却室２７とチャンバ内の空間とを連通するようにした細長い短冊状の開口部３３が、互いに均等な間隔で数本形成されている。ホルダ本体２８の天井壁周縁には、基板２９が保持されても冷却室２８とチャンバ内の空間とが連通するように、凹凸形状（図示せず）が形成されている。
【００１１】
また、ホルダ２６は、Ｈｅガスを流し輻射冷熱により基板２９を冷却する蛇管状の冷却パイプ３４を冷却室２７に備えている。冷却パイプ３４は、輻射冷熱により基板２９を冷却できる限り、井桁状でもヘッダ状でも何でもよい。
更に、ホルダ本体２８の下部中央には、冷却室２７にＡｒガスを導入する不活性ガス供給パイプ３６が挿入されている。
【００１２】
スパッタ装置２５を用いて基板２９に成膜するには、基板２９をホルダ２６に保持し、チャンバ内を真空引きした後、冷却パイプ３４に冷温のＨｅガスを流し、輻射冷熱により基板２９を冷却する。更に、不活性ガス供給パイプ３６から冷温のＡｒガスを、基板２９に吹き付けながら冷却室２７に導入する。これにより、基板２９は所定温度に冷却され、かつ、Ａｒガスは基板２９とホルダ本体２８の天井壁の凹凸形状との隙間からチャンバ内に導入される。
次いで、ターゲット１４とホルダ２６との間に高電圧を印加し、導入されたＡｒガスを放電用ガスとして使用してスパッタリングを行い、基板２９に成膜する。
【００１３】
本実施例では、基板２９の冷却は、冷温のＨｅガスからの輻射冷熱による間接的な冷却と、冷温のＡｒガスを吹き付ける直接的な冷却とにより行われているので、基板を低温度に維持することができる。また、基板２９に吹き付けたＡｒガスは、スパッタリング時の放電用ガスとして使用されるので、ガスを無駄なく利用することができ、よって、経済的に基板に成膜することができる。
【００１４】
配線形成方法の実施例
本実施例は、本発明のスパッタ装置２５を用い、配線を形成する方法の例である。図２（ａ）から（ｄ）は、本実施例の工程毎の基板断面図である。
本実施例では、トランジスタや抵抗等の素子（図示せず）が形成された基板４０に層間絶縁膜４２を成膜し、次いで、Ａｌ配線４４を形成した（図２（ａ）参照）。
次いで、ＴＥＯＳガスを流し、プラズマエンハンスドＣＶＤ法により膜厚３００nmの第１層間絶縁膜４６を以下の条件の下で成膜した。
ＴＥＯＳガス流量 ：８００sccm
Ｏ_２ ガス流量 ：６００sccm
ＴＥＯＳガス及びＯ_２ ガスの混合ガス圧力：１１３３Pa
基板温度 ：４００℃
高周波放電出力 ：７００Ｗ
【００１５】
次いで、膜厚５００nmのＳＯＧ膜である第２層間絶縁膜４８を以下の条件の下で成膜した。
ＳＯＧ膜の成膜材料：東京応化製ＯＣＤ−１４０００Ｔ
熱処理温度 ：４００℃
熱処理時間 ：３０min
次いで、第３層間絶縁膜５０を、第１層間絶縁膜４６と同じ条件で同じ膜厚になるように成膜した（図２（ｂ）参照）。
【００１６】
次いで、従来と同じように、レジスト膜の成膜、レジスト膜のパターンニング、層間絶縁膜のドライエッチング及びレジスト膜除去を行い、図２（ｃ）に示すように、第１層間絶縁膜４６、第２層間絶縁膜４８、及び第３層間絶縁膜５０を貫通してＡｌ配線４４を露出するビアホール５２を形成した。
【００１７】
次いで、スパッタ装置２５のホルダ２６により基板４０をチャンバ内に保持し、チャンバ内を真空引きした後、以下の条件の下でスパッタリングによりＡｌ膜５４を成膜した。
Ａｒガス圧力：０．４Pa
直流放電電力：５ｋＷ
Ｈｅガス温度：−５℃
Ａｒガス流量：１００sccm
Ａｒガス温度：−５℃
これにより、Ａｌ膜５４の成膜中では、Ａｌ粒子の入射作用及び放電プラズマの加熱作用により加熱される基板４０を、３０℃の一定温度に維持した。
次いで、Ａｌ膜５４をパターンニングし、Ａｌ配線５６を形成した（図２（ｄ）参照）。
【００１８】
本実施例では、Ａｌ膜５４をスパッタリングにより成膜する際、基板温度が３０℃なので、ＳＯＧ膜である第２層間絶縁膜４８からのビアホール５２内への放出ガス量を抑えることができ、ポイズンドビアが発生しないので、ビアホール５２内にＡｌが異常成長しなかった。そして、その後のパターンニングにより良好なＡｌ配線５６を形成することができた。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、スパッタ装置のホルダは、基板の裏面にガスを吹き付けて基板を直接的に冷却する手段と、冷媒を通す管群を備え、冷媒からの輻射冷熱により基板を間接的に冷却する手段とを有している。
これにより、基板温度を低温度に維持することができる。また、ガス流量を調整することにより、基板を任意の冷却温度に維持することができる。
また、本発明によれば、ビアホールが形成された層間絶縁膜上にスパッタリングにより金属配線層を成膜する際、基板温度を１００℃以下にしてスパッタリングすることができる。
これにより、成膜する際、露出している層間絶縁膜からのガス放出量を抑えることができるので、ポイズンドビアの発生を防止でき、良好な金属配線層を成膜することができる。
よって、信頼性の高い半導体デバイスを高歩留まりで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 スパッタ装置の実施例のスパッタ装置の基板冷却機構の側面断面図である。
【図２】 図２（ａ）から（ｄ）は、配線形成方法の実施例の工程毎の基板断面図である。
【図３】 ビアホール内にＡｌが異常成長した基板の平面図である。
【図４】 従来のスパッタ装置の概念を示す側面断面図である。
【符号の説明】
１０……スパッタ装置、１２……チャンバ、１３……直流電源、１４……ターゲット、１５……ホルダ、１６……ガス導入管、１８……排気管、２０……基板、２２……Ａｌ配線、２４……ポイズンドビア、２５……スパッタ装置、２６……ホルダ、２７……冷却室、２８……ホルダ本体、２９……基板、３０……押さえチャック、３２……バネ、３３……開口部、３４……冷却パイプ、３６……不活性ガス供給パイプ、４０……基板、４２……層間絶縁膜、４４……Ａｌ配線、４６……第１層間絶縁膜、４８……第２層間絶縁膜、５０……第３層間絶縁膜、５２……ビアホール、５４……Ａｌ膜、５６……Ａｌ配線。

Claims (1)

1. チャンバと該チャンバ内に基板の裏面を保持するホルダとを備えたスパッタ装置において、
   前記ホルダは内部に冷却室を有し、
   前記ホルダの天井壁には短冊状の開口が形成されるとともに、
   前記冷却室と前記チャンバは前記天井壁の周縁に形成された凹凸形状により連通しており、
   前記冷却室内部には、冷媒を通す管群を有し、
   前記基板の裏面に０℃以下の不活性ガスを吹きつけて前記基板を直接的に冷却する手段と、
   前記冷媒を通す管群により、冷媒からの輻射冷却により、前記基板を間接的に冷却する手段とを備え、
   前記不活性ガスは前記基板と前記凹凸形状との隙間からチャンバ内に導入され、スパッタ用の放電用ガスとして使用されることを特徴とするスパッタ装置。

Images