JP3957810B2

JP3957810B2 - Copper thin film formation method

Info

Publication number: JP3957810B2
Application number: JP09317297A
Authority: JP
Inventors: 智保近藤; 佑錫趙; 寧水沢; 宏大三; 城司廣石
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2017-03-27
Also published as: JPH10265949A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、スパッタリングを用いた銅薄膜形成方法にかかり、特に、基板上に形成された微細な孔や溝等を銅薄膜によって充填できる銅薄膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
２５６ＭＤＲＡＭやＭＰＵに代表されるＵＬＳＩは、高集積化が増々加速しているが、その高集積化は、スケーリング則に基いた微細化や多層配線技術によって支えられている。ＵＬＳＩのうちでも、特にマイクロプロセッサ用のＬＳＩについては、多層配線技術がＬＳＩ自体の性能を支配する大きな要因として台頭しつつある。
【０００３】
多層配線を形成する方法を分類した場合、ＣＶＤ方法とスパッタリング方法とに大別することができる。ＣＶＤ方法は、基板が配置された真空槽内に原料ガスを導入し、ＣＶＤ反応を生じさせて基板表面に配線薄膜を形成する技術であり、原料ガスが高アスペクト比の孔や溝内に侵入し、その底面上でＣＶＤ反応が進行することから、高アスペクト比の孔や溝等を配線材料薄膜によって充填させやすいという長所がある。
【０００４】
しかしながらＣＶＤ方法では、使用する原料ガスが有害であり、そのため、高価な廃ガス除去施設が必要になり、また、成膜できる配線薄膜の材料が制限されるという欠点がある。そのため、現在では、比較的プロセスの熟成度の高いスパッタリング方法が配線薄膜形成技術の主流となっている。
【０００５】
一般的なスパッタリング方法は、配線薄膜材料から成るターゲットが設けられた真空槽内に、ターゲットと所定間隔だけ離して成膜対象である基板を対向配置させ、ターゲット裏面に設けられた磁気回路(例えば永久磁石など)によってターゲット表面に磁界を形成させ、真空槽内に導入したスパッタリングガス(アルゴンガスなどの不活性ガス)のプラズマを発生させ、電離したスパッタリングガスイオンをターゲットに入射させ、ターゲット表面から配線材料を飛び出させ、基板表面に付着させて薄膜形成が行われる。
【０００６】
ところで、従来の配線材料にはアルミニウムが用いられていたが、エレクトロマイグレーション耐性等の信頼性や低抵抗化の観点から、近年では、アルミニウムに変わる次世代配線材料候補として銅が注目を浴びている。銅はアルミニウムに比べ、比抵抗が小さく(Cu:1.7μΩ・cm、Al:2.7μΩ・cm)、融点も１０８３℃(Al:660℃)と高いことから、耐エレクトロマイグレーション性能や低抵抗化という観点からはアルミニウムよりも優れている。現在のところ、ダマシンプロセスとＣＭＰ方法を用い、銅薄膜から微細な銅配線を形成する技術が研究されている。
【０００７】
しかしながら、ＵＬＳＩ等の微細化が進むにつれ、配線孔等の開口径は益々小さくなっており、配線材料の埋め込み不良が多発する等の深刻な問題が生じている。アルミニウムの場合、低融点であることから、基板表面にアルミニウム薄膜を全面成膜した後、基板を加熱し、フローイングを行うことで埋め込み特性を向上させることができるが、銅では融点が高いため、アルミニウムと同様にはフローイングの効果が得られない。
【０００８】
そこで銅薄膜を用いて高アスペクト比の孔や溝内を埋め込むため、従来技術でも種々の方法が検討されており、基板表面にスパッタリング方法によって銅薄膜を形成した直後、真空槽内にＨ₂ガスを導入し、銅薄膜表面で生じる還元反応を利用して、銅薄膜のリフローイングを行う技術が注目されている。
【０００９】
しかしながら従来のスパッタリング方法によって形成した配線薄膜にフローイング方法を適用し、高アスペクト比の孔や溝内を配線薄膜で充填しようとする場合には、基板表面に配線薄膜を全面成膜したときに、孔や溝の開口端部において配線薄膜のオーバーハングが生じてしまう。オーバーハングの形成により、孔や溝内にボイドが発生した場合には、フローイングを行っても除去できないため、接続不良が発生するという問題があった。従って、従来のフローイング方法では、充填可能なアスペクト比には限界がある。
【００１０】
他方、基板とターゲットの間にコリメーターと呼ばれるメッシュ状のフィルタを設け、叩き出されたスパッタ粒子のうち、垂直方向成分を有するものだけを基板表面に到達させ、配線材料を形成するコリメータスパッタ方法が知られている。
【００１１】
しかしながらフィルタに付着した配線材料薄膜が剥離するとダストになり、歩留まりを低下させる他、フィルタ開口径が経時変化し、成膜速度の低下やカバレッジが変化するという問題がある。
【００１２】
【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解決するために創作されたものであり、その主な目的は、リフロー工程を行わなくても高アスペクト比の孔や溝内を銅薄膜で充填できる技術を提供することにある。
また、ロングスロースパッタ法(ＬＴＳ法)を用いて銅薄膜を形成し、微細な孔や溝内でステップカバレッジのよい薄膜形成技術を提供することを目的とする。
【００１３】
【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記載の発明は、銅ターゲットが配置された真空槽内に、表面に微細な孔や溝が形成された基板を搬入し、前記真空槽内にスパッタリングガスを導入してプラズマを発生させ、前記銅ターゲットをスパッタリングして前記微細な孔や溝内を銅薄膜で充填する銅薄膜形成方法であって、前記基板を前記ターゲットに対向配置し、前記プラズマを発生させる際には前記真空槽内を４．０×１０^-2Ｐａ以上の圧力にし、プラズマ発生後は、銅ターゲットの自己放電効果によってプラズマを維持できる範囲で、２．０×１０^-2Ｐａ以下の圧力にしてスパッタリングすることを特徴とする銅薄膜形成方法である。
この場合、請求項２記載の発明のように、前記銅ターゲットと前記基板との距離を１４０ｍｍ以上にすることが好ましい。
他方、請求項３記載の発明のように、加熱によるフローイング法を用いないで銅薄膜の膜厚制御のみで微細な孔や溝を埋め込む事ができる。
また、請求項４記載の発明のように、前記真空槽に設けられた加熱処理機構により、銅薄膜形成後、真空中で前記基板を連続処理し、加熱によって銅薄膜をフローイングさせる事で微細な孔や溝を埋め込む事もできる。
また、請求項５記載の発明のように、前記真空槽に設けられた加熱処理機構によって銅薄膜形成中に前記基板を加熱し、銅薄膜をフローイングさせる事で微細な孔や溝を埋め込む事もできる。
また、請求項６記載の発明のように、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の銅薄膜形成方法によって下地の銅薄膜を形成し、水素ガス雰囲気による加熱処理を行った後、前記下地の銅薄膜上に他の銅薄膜を積層させることができる。
また、請求項７記載の発明のように、銅成膜室を２室以上有し、１つの銅成膜室にて請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の銅薄膜形成方法により、加熱無し、または低温加熱で任意の膜厚の第１の銅薄膜を形成した後、真空中連続処理にてもう１つの銅成膜室で加熱しながら、更に任意の膜厚の第２の銅薄膜を形成し、２段階で銅薄膜を形成しながらフローイングさせる事で微細な孔や溝内を埋め込む事もできる。
【００１４】
アルミニウムターゲットやチタンターゲットの場合には、放電を生じやすい結果が得られており、比較的低圧力でスパッタリングを開始することができるが、逆に、安定な放電を維持するためには、４．０×１０^-2Ｐａ以上の圧力を必要とする。
【００１５】
ところが、銅ターゲットの場合には、放電が生じずらい反面、一旦放電が生じ、銅粒子が銅ターゲット表面から飛び出し始めると、銅粒子が銅ターゲット表面に再入射し、自己放電を起こすので、放電が維持しやすいと言う特性がある。
【００１６】
一般に、基板表面にスパッタリング方法によって配線材料薄膜を形成し、高アスペクト比の孔や溝内を配線薄膜材料で充填しようとする場合、ターゲットから叩き出されたスパッタ粒子は、基板表面に到達する間に、真空槽内に存在するスパッタリングガス分子と繰り返し衝突し、散乱されてしまうことが知られている。
【００１７】
そして、特定の方向性を持たなくなったスパッタ粒子のうち、基板に対し斜め方向から入射したものは、高アスペクト比の孔や溝の奥までは侵入できず、そのため、孔や溝の開口端部に堆積してしまう。従って、孔や溝の底部には配線薄膜は形成されず、その結果、基板表面の膜厚に対する孔や溝の底部膜厚の相対比(ボトムカバレッジ)が悪化し、甚だしい場合にはボイドを発生させてしまう。
【００１８】
上述した本発明の構成によれば、基板表面に形成された高アスペクト比の微細孔(本発明では、微細な溝も「微細孔」に含めるものとする)を銅薄膜で充填する際、銅ターゲットをスパッタリングして銅薄膜を形成しているが、銅ターゲットは放電を起こしにくいため、プラズマを発生させる際には、真空槽内の圧力を４．０×１０^-2Ｐａ以上の圧力にしている。
【００１９】
他方、その圧力ではスパッタされた銅粒子が強く散乱され、高アスペクト比の微細孔を充填することができないため、プラズマ発生後は、真空槽内を２．０×１０^-2Ｐａ以下の圧力にしている。
【００２０】
また、加熱によるフローイングを用いずに、銅薄膜の膜厚制御のみで微細な孔や溝内を埋め込めることも分かった。
【００２１】
更に、加熱処理する機構を真空槽内に設け、銅薄膜を形成した後、真空中連続処理にて銅をフローイングさせる事で微細な孔や溝を埋め込めることも分かった。
【００２２】
また加熱処理する機構により、銅薄膜の形成中に加熱し、銅薄膜をフローイングさせる事で微細な孔や溝内を埋め込めることも分かった。
【００２３】
最後に、真空槽内に銅成膜室を２室以上設け、１つの銅成膜室にて加熱なし、または低温加熱で任意の膜厚の銅薄膜を形成した後、真空中連続処理にてもう１つの銅成膜室で加熱しながら更に任意の膜厚の銅薄膜を形成し、２段階で成膜を行いながらフローイングさせること(２ステップフロー)で微細な孔や溝で埋め込める事も分かった。これら４つの成膜方法は、基本的にはロングスロースパッタ法(ＬＴＳ法)によって行われる。
【００２４】
このように、本発明方法では、銅ターゲットのスパッタリングを開始するときだけ真空槽内の圧力を比較的高くし、一旦放電が発生し、プラズマが生成された後は、比較的低圧力にしている。プラズマが生成された後の圧力は、アルミニウムターゲットやチタンターゲットではプラズマを維持できない程の低圧力であり、そのため、銅ターゲット表面から飛び出した銅粒子がスパッタリングガス分子と衝突せずに基板表面に到達できるので、垂直成分を有する銅粒子が多く基板表面に到達し、高アスペクト比の微細孔内を銅薄膜で充填することが可能となっている。また、前述の発明の圧力範囲とは異なる範囲の圧力でもロングスロースパッタ法を用いて銅薄膜を形成することが可能である。
【００２５】
その場合、銅ターゲットと基板間の距離を大きくするほど、基板に到達する銅粒子のうち、垂直成分を持ったものの割合が増えるので、より高アスペクト比の微細孔をステップカバレッジ良く充填できるようになる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１を参照し、符号１は本発明の銅薄膜形成方法に用いることができるスパッタリング装置の一例であり、真空槽１０を有している。
真空槽１０の天井には、カソード電極４が固定されており、その表面には純銅から成る銅ターゲット５が配置されている。
【００２７】
真空槽１０外のカソード電極４の裏面位置には、永久磁石から成る磁気回路８が設けられており、その磁気回路８が形成する磁束がカソード電極４と銅ターゲット５を貫通し、銅ターゲット５表面に漏洩磁界が形成されるように構成されている。スパッタリングを行う際にはその漏洩磁界に電子がトラップされ、プラズマが高密度化する。
【００２８】
真空槽１０の底面には、基板ホルダー６が設けられており、その表面にはシリコン基板から成る基板７が、銅ターゲット５と略平行に対向配置されている。
【００２９】
真空槽１０にはガス導入口２と真空排気口３とが設けられており、ガス導入口２にはスパッタリングガスが充填されたガスボンベが接続され、真空排気口３には、真空ポンプが接続されている(ガスボンベと真空ポンプは図示しない。)。
【００３０】
このスパッタリング装置１を用いた本発明の銅薄膜形成方法について説明する。
基板ホルダー６上に基板７を配置した状態で、真空排気口３から真空槽１０内を真空排気し、真空槽１０内が１．０×１０^-5Ｐａ以下の圧力になった後、ガス導入口２からスパッタリングガス(ここではアルゴンガス)を導入した。
【００３１】
スパッタリングガスの導入により、真空槽１０内が４．０×１０^-2Ｐａ以上の圧力で安定したところで、直流電源９を起動し、カソード電極４に負電圧を印加したところ、放電が開始され、銅ターゲット５表面にプラズマが発生した。
【００３２】
プラズマ発生後、直ちにスパッタリングガス導入量を少なくした。そのとき、真空槽１０内は２．０×１０^-2Ｐａ以下の圧力になったが、銅ターゲット５表面のプラズマは安定に維持することができた。直流電源９による投入電力は５ｋＷであった。
基板７を加熱せずにスパッタリングを所定時間行った後、真空槽１０から基板７を搬出した。
【００３３】
スパッタリング条件として、基板７と銅ターゲット５間の距離が、１７０ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍの３種類の場合について各々スパッタリングを行い、フローイングを行わずに真空槽１０外に搬出した。
【００３４】
各距離でスパッタリングが行われた基板について、搬出後、切断し、走査型電子顕微鏡(ＳＥＭ)によって断面を観察した。
【００３５】
各基板の表面には、図２に示すように、アスペクト比ａ／ｂ(ａは微細孔深さ、ｂは微細孔底面の幅)が１．５の微細孔１２が形成されており、走査型電子顕微鏡により、基板表面膜厚ｄ，底面中心膜厚Ｃ₂、左右の周辺膜厚Ｃ₁、Ｃ₃を測定し、次式で表される平均充填率Ｆ_AVE、
Ｆ_AVE ＝ (Ｃ₁＋Ｃ₂＋Ｃ₃)／(３ｄ)
を算出した。その結果を下記表１と図３のグラフに示す。図３のグラフには、銅ターゲットと基板間の距離が１４０ｍｍ以下の従来技術の銅薄膜形成方法を用いた場合の平均充填率Ｆ_AVEも記載しておく。
【００３６】
【表１】

【００３７】
上記表１とグラフから分かるように、本発明の銅薄膜形成方法によれば、フローイングを行わなくても、微細孔内を銅薄膜で充填できることが分かる。基板・ターゲット間距離を大きくする程カバレッジは良好になっているが、成膜速度は低下するが、投入電力を大きくすることで解決できる。
【００３８】
なお、上述のスパッタリング装置１の基板ホルダー６内にはヒーター１１が設けられており、銅薄膜を形成する際にヒーター１１に通電し、基板温度を室温〜５５０℃にしておくことも可能である。
【００３９】
上記スパッタリング装置１では、磁気回路８は銅ターゲット５表面と平行に移動・回転できるように構成されており、銅ターゲット５表面のスパッタされる領域(エロージョン領域)をターゲット上の任意の位置に形成させることができる。
【００４０】
エロージョン領域が微細孔の真上に位置していると、銅ターゲット５から叩き出された銅粒子が基板７に対して垂直に入射し、より高アスペクト比の微細孔を銅薄膜で埋め込むことが可能となる。
【００４１】
なお、本発明方法によって銅薄膜を形成し、高アスペクト比の微細孔内を銅薄膜で充填した後、フローイングを行うと、更にステップカバレッジを向上させることができる。その場合、例えば、図４に示したマルチチャンバー型の銅薄膜形成装置２１を用いることができる。
【００４２】
その場合の銅薄膜の形成工程を説明すると、銅薄膜形成装置２１のカセット室２５に基板を装着し、搬送室２２を通過させて前処理室２６内に搬入し、基板表面の酸化膜を除去した後、スパッタ室２７内に搬入する。該スパッタ室２７内で、本発明の銅薄膜形成方法によって銅薄膜を形成し、基板表面の高アスペクト比の微細孔内を銅薄膜で充填する。次いで、リフロー室２８内に搬入し、Ｈ₂ガスを導入せずに、１５分間４３０〜４５０℃に加熱し、搬出した。
【００４３】
表１に示した平均充填率Ｆ_AVEが改善され、基板・ターゲット間距離が、１７０ｍｍ〜４００ｍｍの各場合について、孔及び溝に対する平均充填率Ｆ_AVEが１００％になった。
また、図５のマルチチャンバー型の銅薄膜形成装置３１を用いて銅薄膜の２段階形成を行った。
【００４４】
この場合の銅薄膜形成工程は、基板を前処理室３６内に搬入して表面の酸化膜を除去した後、スパッタリング室３７内に搬入し、本発明の銅薄膜形成方法によって、無加熱、又は低温加熱の状態で１層目の銅薄膜を形成した。その後、搬送室３２を通過させ、大気に曝さない状態で、別のスパッタリング室３４内に搬入し、基板を４３０〜４５０℃に加熱しながら銅ターゲットのスパッタリングを行い、基板表面に２層目の銅薄膜を形成した。
【００４５】
カセット室３５から基板を取り出し、断面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、基板・ターゲット間距離が１７０ｍｍ〜４００ｍｍの各場合について、平均充填率Ｆ_AVEが１００％であった。
【００４６】
２層目の銅薄膜を形成する際に用いた装置には、Ｃｕ成膜前の脱ガスや酸化膜厚除去の為の前処理として、脱ガス加熱室２６、３６と前処理室２９、３９が設けられている。前処理室２９、３９は、下地膜の酸化膜を除去する為に、スパッタエッチング法による機構が、公知の技術として一般的であるが、Ｃｕ膜を下地とした上へのＣｕ成膜を行うＶｉａに対する成膜の際は、所定の機構により加熱処理を行うものである。この場合の前処理室２９、３９の例としては、Ｈ₂ガス雰囲気による加熱処理となっており、水素還元による下地Ｃｕ膜の酸化膜除去を行っている。
【００４７】
また、上述の実施例の圧力よりも高い範囲でも、ロングスロースパッタ法を用いると、加熱によるフローイング法を用いずにＣｕ成膜厚制御のみを行う銅薄膜形成方法の場合、また、銅薄膜成膜後、真空中で加熱し銅薄膜をフローイングさせた場合、銅薄膜形成中に加熱し、銅薄膜をフローイングさせる銅薄膜形成方法の場合、及び、銅成膜室を２室有していれば、１つの銅成膜室にて加熱無し、または低温加熱で任意の膜厚の銅薄膜を形成した後、真空中連続処理にて他の銅成膜室で加熱しながら銅薄膜を形成し、２段階で銅薄膜を形成しながらフローイングさせる銅薄膜形成方法の場合のいずれの銅薄膜形成方法についても、微細な孔や溝で埋め込めることも実験により確認できた。
【００４８】
【発明の効果】
本発明を用いることにより、良好なステップカバレッジ(埋め込み率)を得る事ができ、加熱によるフロー／リフローなどの工程を付加することなく、Ｃｕ成膜工程だけで高アスペクト比の孔や溝を埋め込むことができる。また、更に高アスペクト比の孔や溝に対しても、本発明のスパッタリング構成で真空連続処理の加熱による２ステップフロー・リフロー法を用いる事により、容易に埋め込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の銅薄膜形成方法に用いることができるスパッタリング装置の一例
【図２】平均充填率の算出方法を説明するための図
【図３】平均充填率の測定結果を示すグラフ
【図４】本発明の銅薄膜形成方法に用いることができる銅薄膜形成装置の一例
【図５】本発明の銅薄膜形成方法に用いることができる銅薄膜形成装置の他の例
【符号の説明】
５……銅ターゲット７……基板１０……真空槽１２……微細孔[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a copper thin film forming method using sputtering, and more particularly to a copper thin film forming method capable of filling fine holes, grooves and the like formed on a substrate with a copper thin film.
[0002]
[Prior art]
In ULSIs represented by 256MDRAM and MPU, the high integration is increasingly accelerated. The high integration is supported by miniaturization based on a scaling law and multilayer wiring technology. Among ULSIs, especially for LSIs for microprocessors, multilayer wiring technology is emerging as a major factor governing the performance of LSIs themselves.
[0003]
When the method of forming the multilayer wiring is classified, it can be roughly divided into a CVD method and a sputtering method. The CVD method is a technology that introduces a source gas into a vacuum chamber in which a substrate is placed and causes a CVD reaction to form a wiring thin film on the surface of the substrate. The source gas penetrates into holes and grooves with a high aspect ratio. However, since the CVD reaction proceeds on the bottom surface, there is an advantage that holes and grooves having a high aspect ratio can be easily filled with the wiring material thin film.
[0004]
However, in the CVD method, the raw material gas to be used is harmful, so that an expensive waste gas removal facility is required, and there is a disadvantage that the material of the wiring thin film that can be formed is limited. Therefore, at present, the sputtering method with a relatively high process maturity is the mainstream of the wiring thin film forming technology.
[0005]
In a general sputtering method, in a vacuum chamber provided with a target made of a wiring thin film material, a substrate to be deposited is disposed opposite to the target by a predetermined distance, and a magnetic circuit (for example, provided on the back surface of the target) A magnetic field is formed on the target surface by a permanent magnet, etc., plasma of sputtering gas (inert gas such as argon gas) introduced into the vacuum chamber is generated, ionized sputtering gas ions are incident on the target, and from the target surface A thin film is formed by popping out the wiring material and attaching it to the substrate surface.
[0006]
By the way, aluminum has been used as a conventional wiring material. However, in recent years, copper has been attracting attention as a candidate for a next-generation wiring material that replaces aluminum from the viewpoint of reliability such as electromigration resistance and low resistance. . Copper has a lower specific resistance (Cu: 1.7μΩ · cm, Al: 2.7μΩ · cm) and a melting point as high as 1083 ° C (Al: 660 ° C). From a viewpoint, it is superior to aluminum. At present, a technique for forming fine copper wiring from a copper thin film using a damascene process and a CMP method has been studied.
[0007]
However, as miniaturization of ULSI and the like progresses, the opening diameters of wiring holes and the like are becoming smaller and serious problems such as frequent embedding failures of wiring materials occur. In the case of aluminum, since it has a low melting point, an embedding characteristic can be improved by heating the substrate and performing flow after forming an aluminum thin film on the surface of the substrate, but copper has a high melting point. As with aluminum, the effect of flowing cannot be obtained.
[0008]
Therefore, in order to embed high aspect ratio holes and grooves using a copper thin film, various methods have been studied in the prior art, and immediately after the copper thin film is formed on the substrate surface by a sputtering method, H ₂ gas is put into the vacuum chamber. A technique for reflowing a copper thin film using a reduction reaction that occurs on the surface of the copper thin film is attracting attention.
[0009]
However, when the flow method is applied to the wiring thin film formed by the conventional sputtering method and the inside of the high aspect ratio hole or groove is filled with the wiring thin film, the wiring thin film is formed on the entire surface of the substrate. Then, an overhang of the wiring thin film occurs at the opening end of the hole or groove. When voids are generated in the holes or grooves due to the formation of the overhangs, there is a problem in that poor connection occurs because they cannot be removed even by flowing. Accordingly, the aspect ratio that can be filled is limited in the conventional flowing method.
[0010]
On the other hand, a collimator sputtering method in which a mesh-like filter called a collimator is provided between a substrate and a target, and only sputtered particles having a vertical component reach the substrate surface to form a wiring material. It has been known.
[0011]
However, if the wiring material thin film adhering to the filter is peeled off, it becomes dust and decreases the yield, and the filter opening diameter changes with time, resulting in a problem that the film forming speed is lowered and coverage is changed.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention was created to solve the above-mentioned disadvantages of the prior art, and its main purpose is to provide a technology capable of filling a high aspect ratio hole or groove with a copper thin film without performing a reflow process. There is to do.
It is another object of the present invention to provide a thin film forming technique that forms a copper thin film using a long throw sputtering method (LTS method) and has good step coverage in fine holes and grooves.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 is a method in which a substrate having fine holes and grooves formed on the surface is carried into a vacuum chamber in which a copper target is disposed, and a sputtering gas is introduced into the vacuum chamber. To form a plasma, sputter the copper target to fill the fine holes and grooves with a copper thin film, wherein the substrate is disposed opposite to the target, and the plasma is When generating, the pressure inside the vacuum chamber is set to 4.0 × 10 ⁻² Pa or more, and after plasma generation, the plasma can be maintained by the self-discharge effect of the copper target within a range of 2.0 × 10 ⁻² Pa. It is a copper thin film formation method characterized by performing sputtering under the following pressure.
In this case, it is preferable that the distance between the copper target and the substrate is 140 mm or more.
On the other hand, as in the invention described in claim 3, fine holes and grooves can be embedded only by controlling the film thickness of the copper thin film without using a flowing method by heating.
According to a fourth aspect of the present invention, after the copper thin film is formed by the heat treatment mechanism provided in the vacuum chamber, the substrate is continuously processed in a vacuum, and the copper thin film is allowed to flow by heating. It is also possible to embed various holes and grooves.
Further, as in the fifth aspect of the invention, the substrate is heated during the copper thin film formation by the heat treatment mechanism provided in the vacuum chamber, and the fine holes and grooves are embedded by allowing the copper thin film to flow. You can also.
Moreover, after forming the base copper thin film by the method for forming a copper thin film according to any one of claims 1 to 5 and performing the heat treatment in a hydrogen gas atmosphere as in the invention according to claim 6, Another copper thin film can be laminated on the underlying copper thin film.
Further, as in the invention according to claim 7, the copper thin film forming chamber has two or more chambers, and the copper thin film forming method according to any one of claims 1 to 5 is performed in one copper film forming chamber. After the first copper thin film having an arbitrary film thickness is formed without heating or by low-temperature heating, the second copper film having an arbitrary film thickness is further heated while being heated in another copper film forming chamber by continuous processing in vacuum. By forming a copper thin film and allowing it to flow while forming the copper thin film in two stages, it is possible to embed fine holes and grooves.
[0014]
In the case of an aluminum target or a titanium target, a result that is likely to cause discharge has been obtained, and sputtering can be started at a relatively low pressure, but conversely, in order to maintain stable discharge, 4. A pressure of 0 × 10 ⁻² Pa or more is required.
[0015]
However, in the case of a copper target, discharge is difficult to occur. On the other hand, once discharge occurs and the copper particles start to jump out of the copper target surface, the copper particles re-enter the copper target surface and cause self-discharge. Is easy to maintain.
[0016]
In general, when a wiring material thin film is formed on a substrate surface by a sputtering method and the inside of a hole or groove having a high aspect ratio is filled with the wiring thin film material, sputtered particles struck out from the target can reach the substrate surface. Furthermore, it is known that it repeatedly collides with sputtering gas molecules existing in the vacuum chamber and is scattered.
[0017]
Of the sputtered particles that no longer have a specific directionality, those that are incident on the substrate from an oblique direction cannot enter the depth of the holes or grooves having a high aspect ratio. It will be deposited on. Therefore, the wiring thin film is not formed at the bottom of the hole or groove, and as a result, the relative ratio (bottom coverage) of the bottom film thickness of the hole or groove to the film thickness on the substrate surface is deteriorated. I will let you.
[0018]
According to the configuration of the present invention described above, when filling a high-aspect-ratio fine hole (in the present invention, a fine groove is also included in the "fine hole") formed on the substrate surface with a copper thin film, The copper thin film is formed by sputtering the target. However, since the copper target is less likely to cause discharge, when generating plasma, the pressure in the vacuum chamber is set to 4.0 × 10 ⁻² Pa or more. Yes.
[0019]
On the other hand, the sputtered copper particles are strongly scattered at that pressure and cannot fill high-aspect-ratio micropores. Therefore, after the plasma is generated, the vacuum chamber is set to a pressure of 2.0 × 10 ⁻² Pa or less. ing.
[0020]
It was also found that fine holes and grooves could be embedded by controlling the film thickness of the copper thin film without using heating flow.
[0021]
Furthermore, it was also found that fine holes and grooves can be embedded by providing a mechanism for heat treatment in the vacuum chamber to form a copper thin film and then flowing copper by continuous treatment in vacuum.
[0022]
It was also found that the heat treatment mechanism heats the copper thin film during formation and allows the copper thin film to flow to embed fine holes and grooves.
[0023]
Finally, two or more copper film forming chambers are provided in the vacuum chamber, and after forming a copper thin film of any film thickness with no heating or low temperature heating in one copper film forming chamber, continuous processing in vacuum A copper thin film with an arbitrary film thickness is formed while heating in another copper film forming chamber, and it is filled with fine holes or grooves by flowing while performing film formation in two steps (two step flow). I understand. These four film forming methods are basically performed by a long throw sputtering method (LTS method).
[0024]
Thus, in the method of the present invention, the pressure in the vacuum chamber is relatively high only when sputtering of the copper target is started, and once the discharge is generated and the plasma is generated, the pressure is relatively low. . The pressure after the plasma is generated is so low that the plasma cannot be maintained with an aluminum target or a titanium target. Therefore, the copper particles that have ejected from the copper target surface reach the substrate surface without colliding with the sputtering gas molecules. Therefore, many copper particles having a vertical component reach the substrate surface, and it is possible to fill the inside of the high aspect ratio fine holes with the copper thin film. Further, it is possible to form a copper thin film using the long throw sputtering method even at a pressure in a range different from the pressure range of the above-described invention.
[0025]
In that case, as the distance between the copper target and the substrate increases, the proportion of copper particles that reach the substrate that have a vertical component increases, so finer holes with higher aspect ratio can be filled with better step coverage. Become.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Referring to FIG. 1, reference numeral 1 is an example of a sputtering apparatus that can be used in the copper thin film forming method of the present invention, and has a vacuum chamber 10.
A cathode electrode 4 is fixed to the ceiling of the vacuum chamber 10, and a copper target 5 made of pure copper is disposed on the surface thereof.
[0027]
A magnetic circuit 8 made of a permanent magnet is provided at the back surface position of the cathode electrode 4 outside the vacuum chamber 10, and the magnetic flux formed by the magnetic circuit 8 penetrates the cathode electrode 4 and the copper target 5. A leakage magnetic field is formed on the surface. When sputtering is performed, electrons are trapped in the leakage magnetic field, and the plasma is densified.
[0028]
A substrate holder 6 is provided on the bottom surface of the vacuum chamber 10, and a substrate 7 made of a silicon substrate is disposed on the surface of the substrate holder 6 so as to face the copper target 5 substantially in parallel.
[0029]
The vacuum chamber 10 is provided with a gas introduction port 2 and a vacuum exhaust port 3. A gas cylinder filled with sputtering gas is connected to the gas introduction port 2, and a vacuum pump is connected to the vacuum exhaust port 3. (Gas cylinder and vacuum pump are not shown).
[0030]
The method for forming a copper thin film of the present invention using this sputtering apparatus 1 will be described.
With the substrate 7 placed on the substrate holder 6, the inside of the vacuum chamber 10 is evacuated from the vacuum exhaust port 3, and after the pressure in the vacuum chamber 10 reaches 1.0 × 10 ⁻⁵ Pa or less, the gas is introduced. Sputtering gas (in this case, argon gas) was introduced from the port 2.
[0031]
When the inside of the vacuum chamber 10 is stabilized at a pressure of 4.0 × 10 ⁻² Pa or more by the introduction of the sputtering gas, the DC power source 9 is started and a negative voltage is applied to the cathode electrode 4. Plasma was generated on the surface of the copper target 5.
[0032]
Immediately after plasma generation, the amount of sputtering gas introduced was reduced. At that time, the pressure in the vacuum chamber 10 was 2.0 × 10 ⁻² Pa or less, but the plasma on the surface of the copper target 5 could be stably maintained. The input power from the DC power source 9 was 5 kW.
After performing sputtering for a predetermined time without heating the substrate 7, the substrate 7 was unloaded from the vacuum chamber 10.
[0033]
As the sputtering conditions, sputtering was performed for each of three types of distances of 170 mm, 300 mm, and 400 mm between the substrate 7 and the copper target 5 and carried out of the vacuum chamber 10 without flowing.
[0034]
About the board | substrate which sputter | spattered at each distance, after carrying out, it cut | disconnected and observed the cross section with the scanning electron microscope (SEM).
[0035]
As shown in FIG. 2, micropores 12 having an aspect ratio a / b (a is the micropore depth, b is the microhole bottom width) 1.5 are formed on the surface of each substrate. The substrate surface film thickness d, the bottom surface center film thickness C ₂ , and the left and right peripheral film thicknesses C ₁ and C ₃ were measured with a scanning electron microscope, and the average filling rate F _AVE represented by the following equation:
F _AVE = (C ₁ + C ₂ + C ₃ ) / (3d)
Was calculated. The results are shown in the following Table 1 and the graph of FIG. The graph of FIG. 3 also describes the average filling rate F _AVE when the conventional copper thin film forming method in which the distance between the copper target and the substrate is 140 mm or less is used.
[0036]
[Table 1]

[0037]
As can be seen from Table 1 and the graph, according to the method for forming a copper thin film of the present invention, it can be seen that the micropores can be filled with the copper thin film without performing the flow. The coverage becomes better as the distance between the substrate and the target is increased, but the deposition rate is reduced, but this can be solved by increasing the input power.
[0038]
In addition, the heater 11 is provided in the substrate holder 6 of the sputtering apparatus 1 described above, and when the copper thin film is formed, the heater 11 can be energized to keep the substrate temperature between room temperature and 550 ° C. .
[0039]
In the sputtering apparatus 1, the magnetic circuit 8 is configured to move and rotate in parallel with the surface of the copper target 5, and a sputtered region (erosion region) on the surface of the copper target 5 is formed at an arbitrary position on the target. Can be made.
[0040]
When the erosion region is located directly above the micropore, the copper particles knocked out from the copper target 5 are perpendicularly incident on the substrate 7 and the high-aspect-ratio micropore is buried with a copper thin film. It becomes possible.
[0041]
In addition, step coverage can be further improved by forming a copper thin film by the method of the present invention, filling fine pores with a high aspect ratio with the copper thin film, and then performing the flow. In that case, for example, the multi-chamber type copper thin film forming apparatus 21 shown in FIG. 4 can be used.
[0042]
The copper thin film formation process in this case will be described. The substrate is mounted in the cassette chamber 25 of the copper thin film forming apparatus 21, passed through the transfer chamber 22 and carried into the pretreatment chamber 26, and the oxide film on the substrate surface is removed. After that, it is carried into the sputtering chamber 27. In the sputtering chamber 27, a copper thin film is formed by the copper thin film forming method of the present invention, and the high aspect ratio fine holes on the substrate surface are filled with the copper thin film. Then carried into a reflow chamber 28, without introducing H ₂ gas, and heated for 15 minutes four hundred thirty to four hundred fifty ° C., it was unloaded.
[0043]
The average filling rate F _AVE shown in Table 1 was improved, and the average filling rate F _AVE for the holes and grooves was 100% in each case where the distance between the substrate and the target was 170 mm to 400 mm.
Further, a two-stage formation of a copper thin film was performed using the multi-chamber type copper thin film forming apparatus 31 of FIG.
[0044]
The copper thin film forming step in this case is carried into the pretreatment chamber 36 after removing the oxide film on the surface, and then carried into the sputtering chamber 37, and is not heated by the copper thin film forming method of the present invention, or A first-layer copper thin film was formed in a state of low-temperature heating. Thereafter, the substrate is passed through the transfer chamber 32 and carried into another sputtering chamber 34 without being exposed to the atmosphere. The copper target is sputtered while heating the substrate to 430 to 450 ° C., and a second layer is formed on the substrate surface. A copper thin film was formed.
[0045]
When the substrate was taken out from the cassette chamber 35 and the cross section was observed with a scanning electron microscope, the average filling rate F _AVE was 100% in each case where the distance between the substrate and the target was 170 mm to 400 mm.
[0046]
The apparatus used for forming the second-layer copper thin film includes

degassing heating chambers

26 and 36 and

pretreatment chambers

29 and 39 as pretreatment for degassing and oxide film thickness removal before Cu film formation. Is provided. In the

pretreatment chambers

29 and 39, a mechanism based on a sputter etching method is generally used as a known technique for removing the oxide film of the base film, but the Cu film is formed on the Cu film as a base. When forming a film on Via, heat treatment is performed by a predetermined mechanism. As an example of the

pretreatment chambers

29 and 39 in this case, the heat treatment is performed in an H ₂ gas atmosphere, and the base Cu film is removed by hydrogen reduction.
[0047]
Also, in the case of the copper thin film forming method in which only the Cu film thickness control is performed without using the flowing method by heating when the long throw sputtering method is used even in the range higher than the pressure of the above-described embodiment, the copper thin film When the copper thin film is flowed by heating in vacuum after film formation, the copper thin film forming method is to heat the copper thin film and flow the copper thin film, and to have two copper film forming chambers. If there is no heating in one copper film forming chamber, or after forming a copper thin film of an arbitrary thickness by low-temperature heating, the copper thin film is heated while heating in another copper film forming chamber by continuous processing in vacuum It was confirmed by experiments that any of the copper thin film forming methods in the case of the copper thin film forming method formed and flowed while forming the copper thin film in two stages can be embedded with fine holes and grooves.
[0048]
【The invention's effect】
By using the present invention, good step coverage (embedding rate) can be obtained, and high aspect ratio holes and grooves are embedded only by a Cu film forming process without adding a flow / reflow process by heating. be able to. Further, even holes and grooves having a higher aspect ratio can be easily embedded by using a two-step flow reflow method by heating in a vacuum continuous process with the sputtering configuration of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an example of a sputtering apparatus that can be used in the copper thin film forming method of the present invention. FIG. 2 is a diagram for explaining a method for calculating an average filling rate. FIG. 3 is a graph showing measurement results of the average filling rate. FIG. 4 shows an example of a copper thin film forming apparatus that can be used in the copper thin film forming method of the present invention. FIG. 5 shows another example of a copper thin film forming apparatus that can be used in the copper thin film forming method of the present invention.
5 ... Copper target 7 ... Substrate 10 ... Vacuum chamber 12 ... Micropore

Claims

A substrate having fine holes and grooves formed on the surface is carried into a vacuum chamber in which a copper target is disposed, a sputtering gas is introduced into the vacuum chamber to generate plasma, and the copper target is sputtered. A copper thin film forming method of filling the fine holes and grooves with a copper thin film,
The substrate is disposed opposite the target;
When generating the plasma, the inside of the vacuum chamber is set to a pressure of 4.0 × 10 ⁻² Pa or more, and after the plasma generation, 2.0 × 10 10 within a range in which the plasma can be maintained by the self-discharge effect of the copper target. ^A method for forming a copper thin film, comprising sputtering at a pressure of ⁻² Pa or less.

2. The method for forming a copper thin film according to claim 1, wherein a distance between the copper target and the substrate is 140 mm or more.

3. The method of forming a copper thin film according to claim 1, wherein fine holes and grooves are embedded only by controlling the film thickness of the copper thin film without using a flowing method by heating.

3. After the copper thin film formation according to claim 1 or 2 by the heat treatment mechanism provided in the vacuum chamber, the substrate is continuously processed in vacuum and the copper thin film is allowed to flow by heating. A method for forming a copper thin film characterized by embedding fine holes and grooves.

3. The heat treatment mechanism provided in the vacuum chamber heats the substrate during the formation of the copper thin film and causes the copper thin film to flow to embed fine holes and grooves. The copper thin film formation method of any one of these.

A base copper thin film is formed by the method for forming a copper thin film according to any one of claims 1 to 5, and after heat treatment in a hydrogen gas atmosphere, another copper thin film is formed on the base copper thin film. A method for forming a copper thin film to be laminated.

6. The copper thin film forming chamber according to any one of claims 1 to 5 having two or more copper film forming chambers, and having an arbitrary film thickness with no heating or low temperature heating. After forming the first copper thin film, a second copper thin film having an arbitrary film thickness is formed while heating in another copper film forming chamber by continuous treatment in vacuum, and the copper thin film is formed in two stages. A method for forming a copper thin film, characterized by embedding fine holes and grooves by flowing while forming.