JP4070871B2

JP4070871B2 - Copper thin film formation method

Info

Publication number: JP4070871B2
Application number: JP12552298A
Authority: JP
Inventors: 寧水沢; 智保近藤; 洋治田口; 周司小平; 賢明中野
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1998-05-08
Filing date: 1998-05-08
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2018-05-08
Also published as: JPH11315374A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスパッタリング技術に関し、特に、銅薄膜の形成に適したスパッタリング技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置内の薄膜や液晶表示装置内の薄膜等を形成するために、従来より、図５に示すようなスパッタ装置１０１が用いられている。
【０００３】
このスパッタ装置１０１は、真空槽１１０を有しており、真空槽１１０にはガス導入口１２１と真空排気口１２２が形成されている。また、真空槽１１０の底壁上には基板ホルダー１１２が配置され、天井側にはカソード１１３が配置されている。カソード１１３の基板ホルダー１１２に対向する面には、ターゲット１１６が配置されており、カソード１１３の裏面側には磁石１１５が配置されている。
【０００４】
このスパッタ装置１０１を用いる場合、先ず、真空排気口１２２から真空槽１１０内を真空排気し、内部を高真空状態にしておき、真空槽１１０内に搬入した基板１０２を基板ホルダ１１２上に載置する。
【０００５】
次いで、ガス導入口１２１からスパッタリングガスを導入し、真空槽１１０内が所定圧力で安定したところでカソード１１３に電圧を印加すると、ターゲット１１６表面近傍に、スパッタリングガスのプラズマが発生する。このとき、磁石１１５によってプラズマが高密度に閉じ込められ、ターゲット１１６がスパッタリングされ、基板１０２表面に薄膜が形成される。
【０００６】
上記のようなスパッタ装置１０１では、スパッタリングガスのプラズマを安定に維持するためには、高真空雰囲気にされた真空槽１１０にスパッタリングガスを導入し、圧力を１０^-2Ｐａ〜１０^-1Ｐａ程度に上昇させる必要がある。そのため、薄膜はスパッタリングガス雰囲気中で成長するため、形成された薄膜中にスパッタリングガス分子が取り込まれ、膜質が低下してしまうという問題がある。
【０００７】
また、基板ホルダ１１２に電圧を印加してスパッタリング粒子を基板１０２表面に引き込もうとすると、成長中の薄膜表面にスパッタリングガスのイオンが入射し、膜質を劣化させてしまうという問題がある。
【０００８】
そこで従来技術でも、ターゲット１１６表面から飛び出したスパッタリング粒子が基板１０２表面にできるだけ垂直に入射するように、ターゲット１１６と基板１０２の間の距離を大きくし、且つ、真空槽１１０内をできるだけ低圧力にした状態でスパッタリングを行うようにされていた。
【０００９】
しかしながら、ターゲット・基板間距離を大きくすると薄膜形成速度が遅くなるため、真空槽１１０内にできるだけ多くのスパッタリングガスを導入し、スパッタ速度を速くする必要がある。
【００１０】
従って、スパッタリングの際に真空槽１１０内を低圧力状態にするのにも限界があり、スパッタリングガスを含まず、高品質の薄膜を形成することができなかった。
【００１１】
他方、基板１０２表面に形成された微細孔内を薄膜で充填する場合に、スパッタリング粒子の直線性を向上させるために、薄膜形成速度を犠牲にして、基板・ターゲット間距離を大きくし、真空槽１１０内を低圧力雰囲気にすると、微細孔側壁に薄膜が形成されなくなり、サイドカバレッジが悪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、その目的は、高品質の薄膜を形成でき、微細孔内を充填できる銅薄膜形成方法を提供することにある。
【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、真空槽内を真空雰囲気にし、銅を主成分とするターゲットをスパッタリングし、微細孔を有する処理対象物表面に銅薄膜を形成する銅薄膜形成方法であって、前記処理対象物を前記ターゲットから１５０ｍｍ以上離間させて配置し、前記真空槽内にスパッタリングガスを導入し、前記ターゲットへ直流電圧を印加して前記ターゲット表面近傍に前記スパッタリングガスのプラズマを発生させ、前記スパッタリングガスの導入を停止させ、前記真空槽内の圧力を低下させ、前記ターゲット表面近傍に生じた銅プラズマによる前記ターゲットの自己スパッタリングを開始させた後、前記処理対象物の裏面側に配置された電極に交流電圧を印加し、前記微細孔の開口部に成長した銅薄膜に銅イオンを入射させ、前記微細孔の開口部の前記銅薄膜を除去することを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の銅薄膜形成方法であって、前記ターゲットに、ターゲット表面の１ｃｍ²当たり７０Ｗ以上の電力を投入することを特徴とする。
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
本発明は上記のように構成されており、真空槽内を真空雰囲気にし、真空槽内に配置された銅を主成分とするターゲットをスパッタリングして処理対象物表面に銅薄膜を形成する銅薄膜形成方法である。処理対象物は、一般的には、半導体ウェハーや液晶用のガラス基板等の板状の基板である。そのような基板表面に銅薄膜を形成する場合、先ず、真空槽内にアルゴンガス等のスパッタリングガスを導入し、ターゲットに電圧を印加し、ターゲット表面近傍にスパッタリングガスプラズマを形成し、プラズマ中のスパッタリングガスイオンをターゲットに入射させる。
【００１９】
すると、ターゲット表面から銅粒子(銅原子や銅原子のクラスタ)が飛び出し、真空雰囲気中に銅粒子が多量に存在する状態になると、銅のプラズマが形成されるようになる。
その状態になると、銅プラズマ中の銅イオンがターゲットに入射し、ターゲット表面から銅粒子が放出されるようになる(銅の自己スパッタリング)。
【００２０】
ここで自己放電スパッタリングを説明すると、スパッタリングによってＣｕターゲットからたたき出されたＣｕ粒子がプラズマ中で電離し、Ｃｕイオン(Ｃｕ⁺)となってＣｕターゲットに再突入し、更にＣｕ粒子を吐き出す現象である。十分な量のＣｕイオンが存在すると、Ａｒガス(スパッタリングガス)の供給を停止してＡｒイオンが存在しなくなっても、プラズマ(放電)は維持され、スパッタリング現象が持続できるものである。
【００２１】
公知の様に、Ｃｕは二次電子を放出しやすい物質(材料)であり、且つ一般的にスパッタリングに用いられる材料の中で、スパッタリング収率が比較的大きいものである。
【００２２】
因みに、スパッタリング収率は、スパッタリングに用いるガスのイオンＡｒ⁺が０．３ｋｅＶのとき、例えばＡｌが０．６７であり、Ｃｕは１．２である。これは、Ａｌに比べて１．８倍のＣｕ粒子がターゲットより叩き出される事を意味する。つまり、ＣｕはＡｌに比べ１．８倍のスパッタリング収率である。
【００２３】
他方、Ｃｕイオン(Ｃｕ⁺)を用いた場合のＣｕスパッタリング収率は２．３となり、従って、自己放電作用によるＣｕイオン(Ｃｕ⁺)によってＣｕがスパッタリングされる場合、その収率は、Ａｒイオン(Ａｒ⁺)によるＣｕスパッタリング収率の１．９倍である。更にＡｌをＡｒ⁺でスパッタリングする場合の収率と比較すると、３．４倍増加した事になる。
従って、Ｃｕターゲットより大量に叩き出されたＣｕ粒子と二次電子によってプラズマを持続形成させる事が可能となる。
【００２４】
従って、スパッタリングガスの導入を停止する等により、真空槽内の圧力を低くし高真空雰囲気にしても銅プラズマが維持され、ターゲット表面のスパッタリングが継続して行われる。
【００２５】
このように、高真空雰囲気中で銅薄膜が形成されるので、銅薄膜中にスパッタリングガスが取り込まれることはなく、また、銅薄膜表面にはスパッタリングガスイオンが入射することもないので、高品質の銅薄膜を形成することが可能になる。
【００２６】
更に、高真空雰囲気中ではスパッタリング粒子の平均自由行程が大きいので、ターゲット・基板間距離を大きくすることが可能となる。実験によると、ターゲット・基板間距離を１５０ｍｍ以上に設定した場合(ＬＴＳ:Long Throw Sputtering：遠距離スパッタリング)には、高真空雰囲気中で基板表面に銅粒子が垂直に入射するようになるので、基板表面の微細孔(微細溝を含む。)に対する銅薄膜の充填率が向上する。
【００２７】
自己放電スパッタリングを達成する為には、ターゲットへの投入電力は大きい程よいが、ＬＴＳを用いたカソードでの今回の実験によると、直流(ＤＣ)電圧をターゲットに印加する場合、若干の(例えば１sccm程度の)Ａｒガス導入時で、プラズマへの投入電力の密度は７０W/cm²以上が望ましい。また、Ａｒガスを導入しないときは１１０W/cm²以上とするのが望ましい事が解っている。また、その条件によると、ＤＣ放電の２極スパッタリングのみで自己放電スパッタリングを構成できる。
【００２８】
更にまた、銅薄膜を形成する際に基板裏面に配置された電極に電圧を印加すると、基板表面に銅粒子が引き込まれ、微細孔の開口部に付着した銅薄膜が銅粒子でスパッタされるので、オーバーハングが形成されないようになる。
【００２９】
また、スパッタリングガスが存在しない微細孔内に銅粒子が引き込まれると、微細孔底部まで到達し、その部分の銅薄膜に入射すると、銅薄膜が銅粒子でスパッタされ、微細孔の側壁に再付着するので、サイドカバレッジが大きい埋込を行うことが可能になる。
【００３０】
基板表面へスパッタリングガスイオンを入射させないためには、銅の自己スパッタリングが開始され、真空槽内が高真空状態になった後、基板側への電圧の印加を開始するとよい。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明を図面を用いて説明する。
図１を参照し、符号１は、本発明の銅薄膜形成方法を実施できるスパッタ装置の一例であり、真空槽１０を有している。
真空槽１０の外部には、高周波の交流電源２４と、直流電源２５とが配置されており、また、図示しないガス導入系と真空排気系が配置されている。
【００３２】
真空槽１０には、ガス導入口２１と真空排気口２２とが設けられており、ガス導入口２１はガス導入系に接続され所望流量でスパッタリングガスを導入できるように構成されており、真空排気口２２は真空排気系に接続され、真空槽１０内を真空排気できるように構成されている。
【００３３】
また、この真空槽１０の内部底壁上には基板ホルダ１２が設けられており、天井側で基板ホルダ１２と対向する位置には、基板ホルダ１２と１５０ｍｍ以上の距離を隔ててカソード１３が設けられている。
【００３４】
カソード１３の、基板ホルダ１２と対向する面には、銅を主成分とするターゲット１６が設けられており、カソード１３の裏面には、磁石１５が配置されている。
【００３５】
カソード１３は、真空槽１０とは絶縁されると共に、直流電源２５が接続されており、真空槽１０をグラウンド電位に置いた状態で、カソード１３に所望の大きさの直流電圧を印加できるように構成されている。
【００３６】
基板ホルダ１２内には、真空槽１０とは絶縁した状態で、電極１７が設けられており、該電極１７は交流電源２４に接続され、高周波電圧を印加できるように構成されている。
【００３７】
このようなスパッタ装置１を用い、銅薄膜を形成する場合には、先ず、真空槽１０内を真空排気し、予め内部を高真空状態にしておく。
次いで、その高真空状態を維持しながら、処理対象物である基板２を真空槽１０内に搬入し、基板ホルダ１２上に載置する。
【００３８】
必要に応じて基板２を加熱した後、ガス導入口２１からスパッタリングガス(ここではアルゴンガス)を導入すると共に、真空排気速度を調節して真空槽１０内を昇圧させる。真空槽１０内が１０^-1Ｐａ程度の圧力で安定したところで直流電源２５を起動し、カソード１３に負電圧を印加すると、ターゲット１６表面近傍にスパッタリングガスのプラズマが発生し、ターゲット１６がスパッタリングされる。
【００３９】
カソード１３裏面の磁石１５により、ターゲット１６表面近傍には磁界が形成されており、その磁界により、発生したプラズマは高密度に閉じ込められる。
【００４０】
スパッタリングガスのプラズマを形成する際、直流電源２５により、ターゲット１６に対し、プラズマの電力密度として７０Ｗ／ｃｍ²以上の電力を投入すると、ターゲット１６表面から多量の銅粒子(銅原子及び銅粒子)が放出され、ターゲット１６表面近傍で、銅のプラズマが発生する。
【００４１】
その状態では、プラズマ中には、スパッタリングガスプラズマと銅プラズマとが混在しているが、ターゲット１６のスパッタリングが開始された後(ターゲット１６への電力投入から５秒程度が経過した後)、スパッタリングガスの導入を停止すると共に、真空排気速度を大きくすると、真空槽１０内は１０^-6Ｐａ程度の高真空状態になり、スパッタリングガスのプラズマは消滅する。
【００４２】
このとき、ターゲット１６へのプラズマの電力密度として投入電力を７０Ｗ／ｃｍ²以上にしておくと、ターゲット１６から多量の銅粒子が放出され、それが銅プラズマになり、銅イオンがターゲット１６表面に入射して再び銅粒子を放出させるので(銅の自己スパッタリング)、スパッタリングガスの導入を停止しても、ターゲット１６表面近傍には、プラズマ(銅プラズマ)が維持される。
【００４３】
その状態になると、銅プラズマは安定に維持され、ターゲット１６のスパッタリングが継続して行われ、放出された多量の銅粒子が基板２表面に到達し、銅薄膜が成長し始める。
【００４４】
銅の自己スパッタリングが開始され、真空槽１０内が高真空状態に達した後、交流電源２４を起動し、電極１７に数十Ｖの交流電圧(１３．５６ＭＨｚ)を印加すると、基板２が負電位にバイアスされるので、銅イオンが基板２に引きつけられ、大きなエネルギーで基板２の表面に入射する。
【００４５】
基板２表面に微細孔(及び微細溝)が形成されている場合、入射した銅イオンにより、微細孔の開口部に成長した銅薄膜が除去されるので、オーバーハングが生じず、高アスペクト比の微細孔内を銅薄膜で充填することができる。
【００４６】
図２(ａ)〜(ｄ)は、微細孔５１〜５４を銅薄膜で充填した場合の状態を示している。
同図(ａ)、(ｂ)では、従来技術の銅薄膜形成方法を用いており、同図(ａ)は基板・ターゲット間距離を近接させてスパッタリングを行った場合であり、同図(ｂ)は、基板・ターゲット間距離を１００ｍｍとし、圧力を０．１Ｐａとして通常よりも低圧にしてスパッタリングを行った場合である。
【００４７】
同図(ａ)から分かるように、基板・ターゲット間を近接させた場合、銅薄膜７１は、微細孔５１の開口部分でオーバーハング６１を形成してしまい、微細孔底部には銅薄膜は少量しか成長しなかった。
【００４８】
また、同図(ｂ)から分かるように、基板・ターゲット間距離を大きくした場合でも、銅薄膜７２により、微細孔５２の開口部上でオーバーハング６２が形成されてしまう。
【００４９】
他方、同図(ｃ)、(ｄ)では、本発明の銅薄膜形成方法が用いられており、同図(ｃ)は、上記実施例と同じ条件でスパッタリングを行った場合であり、同図(ｄ)は、基板２側に交流電圧を印加しない他は、上記実施例と同じ条件でターゲット１６のスパッタリングを行った場合である。
【００５０】
同図(ｃ)から分かるように、本発明によれば、微細孔５３の開口部分にオーバーハングは形成されない。これは、従来技術ではオーバーハングが成長してしまう部分６３の銅薄膜が、高エネルギーで入射した銅イオン粒子によって削られ、微細孔５３の底面側に再付着したためと考えられる。
【００５１】
また、微細孔５３側壁に形成された銅薄膜７３の厚みは厚く、サイドカバレッジが良好になっているが、これは、高真空雰囲気中で銅イオンの粒子が微細孔５３内に入射するため、銅イオンの粒子が微細孔の底面にまで到達し、それによって底面上に成長している薄膜６４がスパッタされ、その結果、銅粒子が側壁部分に再付着し、符号６５で示す側壁部分の薄膜が形成されたためと考えられる。
【００５２】
それに対し、従来技術の場合は、微細孔内にスパッタリングガスが存在するので、基板側に交流電圧を印加してもスパッタリングガスイオンは微細孔の底面には到達できず、サイドカバレッジは悪い。
【００５３】
他方、本発明の場合、同図(ｄ)に示すように、基板に交流電圧を印加しなくても、微細孔５４の開口部分にオーバーハングは形成されず、また、微細孔５４内に銅粒子が到達し、底面の銅薄膜が７４がスパッタされる結果、サイドカバレッジは従来技術よりも格段に向上している。
【００５４】
以上説明したように、本発明によれば、高真空雰囲気中で銅薄膜を形成することができ、その結果、スパッタリングガスが含まれず、膜質が良く、また、サイドカバレッジの良い銅薄膜を形成することが可能となっている。
【００５５】
次に、本発明方法によって銅薄膜を形成した場合の、微細孔内の埋込率と、基板・ターゲット間距離との関係を図３のグラフに示す。
縦軸の埋込率は、図４に示すように、銅薄膜８２の微細孔(微細溝)８１外での厚みをｄとした場合、微細孔(微細溝)８１底面の銅薄膜８２の中心付近の厚みｃ₂と、側壁近傍の厚みｃ₁、ｃ₃とから、次式、
埋込率＝ (ｃ₁＋ｃ₂＋ｃ₃)／ｄ
で求めた値である。この微細孔(微細溝)８１のアスペクト比ｂ／ａは１．５である。
【００５６】
従来技術では、真空槽１０内にスパッタリングガスを導入した状態でしかターゲットをスパッタリングできなかったため、基板・ターゲット間距離が大きすぎるとターゲット１６表面から飛び出した銅粒子がスパッタリングガスと衝突する確率が高くなり、基板２表面に入射する銅粒子の直線性が失われ、充填率が小さくなってしまう。スパッタリングガスプラズマを安定に維持するためには、スパッタリングガスをある程度の圧力まで導入する必要があるため、従来技術では、基板・ターゲット間距離は１００ｍｍが上限であった。
【００５７】
それに対し、本発明の銅薄膜形成方法によれば、非常に低い圧力(高真空状態)で安定にターゲットをスパッタリングすることができるので、基板・ターゲット間距離を１５０ｍｍ以上にすることが可能であり、その結果、基板表面に銅粒子が垂直に入射し、埋込率が高くなっている。
【００５８】
なお、上記ターゲット１６は、純銅のターゲットに限定されるものではなく、本発明は、銅を主成分とし、自己スパッタリングが行えるターゲットに広く用いることができる。
【００５９】
【発明の効果】
高真空状態で銅ターゲットをスパッタできるので、銅薄膜中にはスパッタリングガスは取り込まれず、また、銅薄膜がスパッタリングガスの入射でダメージを受けるようなことはない。
基板・ターゲット間距離を大きくできるので、微細孔の充填率を大きくすることができる。
また、微細孔内のサイドカバレッジを大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法に用いることができるスパッタ装置の一例
【図２】微細孔の充填状態を説明するための図
(ａ)：従来技術のうち、基板・ターゲット間距離が小さい場合
(ｂ)：従来技術のうち、基板・ターゲット間距離が大きい場合
(ｃ)：本発明のうち、基板に交流電圧を印加した場合
(ｄ)：本発明のうち、基板に交流電圧を印加しない場合
【図３】基板・ターゲット間距離と埋込率との関係を示すグラフ
【図４】充填率を説明するための図
【図５】従来技術のスパッタ装置の一例
【符号の説明】
２……基板(処理対象物) １０……真空槽１６……銅を主成分とするターゲット[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sputtering technique, and more particularly to a sputtering technique suitable for forming a copper thin film.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a sputtering apparatus 101 as shown in FIG. 5 is used to form a thin film in a semiconductor device, a thin film in a liquid crystal display device, or the like.
[0003]
The sputtering apparatus 101 includes a vacuum chamber 110, and a gas introduction port 121 and a vacuum exhaust port 122 are formed in the vacuum chamber 110. A substrate holder 112 is disposed on the bottom wall of the vacuum chamber 110, and a cathode 113 is disposed on the ceiling side. A target 116 is disposed on the surface of the cathode 113 facing the substrate holder 112, and a magnet 115 is disposed on the back side of the cathode 113.
[0004]
When this sputtering apparatus 101 is used, first, the inside of the vacuum chamber 110 is evacuated from the vacuum exhaust port 122, the inside is kept in a high vacuum state, and the substrate 102 carried into the vacuum chamber 110 is placed on the substrate holder 112. To do.
[0005]
Next, when a sputtering gas is introduced from the gas inlet 121 and a voltage is applied to the cathode 113 when the inside of the vacuum chamber 110 is stabilized at a predetermined pressure, plasma of the sputtering gas is generated near the surface of the target 116. At this time, the plasma is confined with high density by the magnet 115, the target 116 is sputtered, and a thin film is formed on the surface of the substrate 102.
[0006]
In the sputtering apparatus 101 as described above, in order to stably maintain the plasma of the sputtering gas, the sputtering gas is introduced into the vacuum chamber 110 in a high vacuum atmosphere, and the pressure is about 10 ⁻² Pa to 10 ⁻¹ Pa. Need to be raised. Therefore, since the thin film grows in the sputtering gas atmosphere, there is a problem that the sputtering gas molecules are taken into the formed thin film and the film quality is deteriorated.
[0007]
Further, if a voltage is applied to the substrate holder 112 to attract the sputtered particles to the surface of the substrate 102, there is a problem that ions of the sputtering gas are incident on the surface of the growing thin film and the film quality is deteriorated.
[0008]
Therefore, even in the prior art, the distance between the target 116 and the substrate 102 is increased so that the sputtered particles that have jumped out from the surface of the target 116 enter the surface of the substrate 102 as vertically as possible, and the inside of the vacuum chamber 110 is set to the lowest possible pressure. Sputtering was performed under the condition.
[0009]
However, when the target-substrate distance is increased, the thin film formation speed is reduced. Therefore, it is necessary to introduce as much sputtering gas as possible into the vacuum chamber 110 to increase the sputtering speed.
[0010]
Therefore, there is a limit to setting the inside of the vacuum chamber 110 to a low pressure state during sputtering, and a high-quality thin film cannot be formed without containing a sputtering gas.
[0011]
On the other hand, when filling the micropores formed on the surface of the substrate 102 with a thin film, in order to improve the linearity of the sputtered particles, the distance between the substrate and the target is increased at the sacrifice of the thin film formation speed, and the vacuum chamber When the inside of 110 is in a low-pressure atmosphere, there is a problem that a thin film is not formed on the side walls of the fine holes and the side coverage is deteriorated.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention was created to solve the above-mentioned disadvantages of the prior art, and an object of the present invention is to provide a method for forming a copper thin film that can form a high-quality thin film and can fill the inside of fine holes.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the invention described in claim 1 is a copper in which a vacuum atmosphere is formed in a vacuum chamber, a target mainly composed of copper is sputtered, and a copper thin film is formed on the surface of a processing object having fine holes. In the thin film forming method, the object to be processed is arranged at a distance of 150 mm or more from the target, a sputtering gas is introduced into the vacuum chamber, a DC voltage is applied to the target, and the sputtering is performed in the vicinity of the target surface. to generate plasma of the gas, said stopping the introduction of the sputtering gas, the reducing the pressure in the vacuum chamber, after starting the self-sputtering of said target that by the copper plasma generated in the vicinity of the target surface, the An AC voltage is applied to the electrode disposed on the back side of the object to be processed, and a copper ion is applied to the copper thin film grown on the opening of the microhole. It is incident, and removing said thin copper film of the opening of the fine holes.
A second aspect of the present invention is the copper thin film forming method according to the first aspect, characterized in that an electric power of 70 W or more is applied to the target per 1 cm ^{2 of} the target surface.
[0014]
[0015]
[0016]
[0017]
[0018]
The present invention is configured as described above, and a copper thin film is formed by forming a copper thin film on the surface of an object to be processed by sputtering a target mainly composed of copper disposed in the vacuum tank in a vacuum atmosphere. It is a forming method. The processing object is generally a plate-shaped substrate such as a semiconductor wafer or a glass substrate for liquid crystal. When forming a copper thin film on such a substrate surface, first, a sputtering gas such as argon gas is introduced into the vacuum chamber, a voltage is applied to the target, and a sputtering gas plasma is formed in the vicinity of the target surface. Sputtering gas ions are incident on the target.
[0019]
Then, when copper particles (copper atoms or copper atom clusters) are ejected from the target surface and a large amount of copper particles are present in the vacuum atmosphere, copper plasma is formed.
In this state, copper ions in the copper plasma enter the target and copper particles are emitted from the target surface (copper self-sputtering).
[0020]
Here, the self-discharge sputtering will be explained. The Cu particles knocked out of the Cu target by sputtering are ionized in the plasma, become Cu ions (Cu ⁺ ), re-enter the Cu target, and discharge Cu particles. is there. If a sufficient amount of Cu ions is present, even if the supply of Ar gas (sputtering gas) is stopped and no Ar ions are present, plasma (discharge) is maintained and the sputtering phenomenon can be sustained.
[0021]
As is well known, Cu is a substance (material) that easily emits secondary electrons, and has a relatively high sputtering yield among materials generally used for sputtering.
[0022]
Incidentally, when the ion Ar ^{+ of the} gas used for sputtering is 0.3 keV, for example, Al is 0.67 and Cu is 1.2. This means that 1.8 times as many Cu particles are beaten from the target as compared with Al. That is, Cu has a sputtering yield 1.8 times that of Al.
[0023]
On the other hand, when Cu ions (Cu ⁺ ) are used, the Cu sputtering yield is 2.3. Therefore, when Cu is sputtered by Cu ions (Cu ⁺ ) due to self-discharge, the yield is Ar ions. The Cu sputtering yield by (Ar ⁺ ) is 1.9 times. Further, compared with the yield when sputtering Al with Ar ⁺ , 3 . That is a 4 times increase.
Therefore, it is possible to continuously form plasma by Cu particles and secondary electrons struck out in large quantities from the Cu target.
[0024]
Therefore, by stopping the introduction of the sputtering gas, the copper plasma is maintained even when the pressure in the vacuum chamber is lowered and the atmosphere is in a high vacuum atmosphere, and sputtering of the target surface is continued.
[0025]
As described above, since the copper thin film is formed in a high vacuum atmosphere, the sputtering gas is not taken into the copper thin film, and the sputtering gas ions are not incident on the surface of the copper thin film. It is possible to form a copper thin film.
[0026]
Furthermore, since the mean free path of the sputtered particles is large in a high vacuum atmosphere, the distance between the target and the substrate can be increased. According to the experiment, when the distance between the target and the substrate is set to 150 mm or more (LTS: Long Throw Sputtering), the copper particles will be perpendicularly incident on the substrate surface in a high vacuum atmosphere. The filling ratio of the copper thin film to the fine holes (including the fine grooves) on the substrate surface is improved.
[0027]
In order to achieve self-discharge sputtering, the larger the input power to the target, the better. However, according to this experiment with a cathode using an LTS, when a direct current (DC) voltage is applied to the target, some (for example, 1 sccm) At the time of introduction of Ar gas, the density of power input to the plasma is preferably 70 W / cm ² or more. Further, it has been found that when Ar gas is not introduced, it is desirable to set it to 110 W / cm ² or more. Moreover, according to the conditions, self-discharge sputtering can be comprised only by the bipolar discharge of DC discharge.
[0028]
Furthermore, when a voltage is applied to the electrode disposed on the back surface of the substrate when forming the copper thin film, the copper particles are drawn into the substrate surface, and the copper thin film adhering to the openings of the micro holes is sputtered with the copper particles. Overhang will not be formed.
[0029]
Also, when copper particles are drawn into the micro holes where there is no sputtering gas, they reach the bottom of the micro holes, and when they enter the copper thin film, the copper thin films are sputtered with the copper particles and reattach to the side walls of the micro holes. Therefore, it is possible to perform embedding with a large side coverage.
[0030]
To prevent the sputtering gas ions from being incident on the substrate surface, it is preferable to start application of voltage to the substrate side after the self-sputtering of copper is started and the inside of the vacuum chamber is in a high vacuum state.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be described with reference to the drawings.
Referring to FIG. 1, reference numeral 1 is an example of a sputtering apparatus that can carry out the copper thin film forming method of the present invention, and has a vacuum chamber 10.
A high-frequency AC power source 24 and a DC power source 25 are disposed outside the vacuum chamber 10, and a gas introduction system and a vacuum exhaust system (not shown) are disposed.
[0032]
The vacuum chamber 10 is provided with a gas introduction port 21 and a vacuum exhaust port 22, and the gas introduction port 21 is connected to a gas introduction system so that a sputtering gas can be introduced at a desired flow rate. The port 22 is connected to an evacuation system so that the inside of the vacuum chamber 10 can be evacuated.
[0033]
A substrate holder 12 is provided on the inner bottom wall of the vacuum chamber 10, and a cathode 13 is provided at a position facing the substrate holder 12 on the ceiling side with a distance of 150 mm or more from the substrate holder 12. It has been.
[0034]
A target 16 mainly composed of copper is provided on the surface of the cathode 13 facing the substrate holder 12, and a magnet 15 is disposed on the back surface of the cathode 13.
[0035]
The cathode 13 is insulated from the vacuum chamber 10 and is connected to a DC power supply 25 so that a DC voltage of a desired magnitude can be applied to the cathode 13 with the vacuum chamber 10 placed at the ground potential. It is configured.
[0036]
In the substrate holder 12, an electrode 17 is provided in a state insulated from the vacuum chamber 10, and the electrode 17 is connected to an AC power source 24 so that a high frequency voltage can be applied.
[0037]
When a copper thin film is formed using such a sputtering apparatus 1, first, the inside of the vacuum chamber 10 is evacuated, and the inside is put in a high vacuum state in advance.
Next, while maintaining the high vacuum state, the substrate 2 as the processing object is carried into the vacuum chamber 10 and placed on the substrate holder 12.
[0038]
After the substrate 2 is heated as necessary, sputtering gas (argon gas in this case) is introduced from the gas inlet 21 and the inside of the vacuum chamber 10 is increased by adjusting the vacuum exhaust speed. When the DC power supply 25 is started when the inside of the vacuum chamber 10 is stabilized at a pressure of about 10 ⁻¹ Pa and a negative voltage is applied to the cathode 13, sputtering gas plasma is generated near the surface of the target 16, and the target 16 is sputtered. The
[0039]
A magnet 15 on the back surface of the cathode 13 forms a magnetic field near the surface of the target 16, and the generated plasma is confined with high density by the magnetic field.
[0040]
When the plasma of sputtering gas is formed, when a power of 70 W / cm ² or more is applied as a plasma power density to the target 16 by the DC power source 25, a large amount of copper particles (copper atoms and copper particles) are generated from the surface of the target 16. Is emitted, and copper plasma is generated near the surface of the target 16.
[0041]
In this state, sputtering gas plasma and copper plasma are mixed in the plasma, but after sputtering of the target 16 is started (after about 5 seconds have elapsed since the power was turned on to the target 16), sputtering is performed. When the introduction of the gas is stopped and the evacuation speed is increased, the inside of the vacuum chamber 10 is in a high vacuum state of about 10 ⁻⁶ Pa, and the sputtering gas plasma is extinguished.
[0042]
At this time, if the input power is set to 70 W / cm ² or more as the power density of the plasma to the target 16, a large amount of copper particles are released from the target 16, which becomes copper plasma, and copper ions are applied to the surface of the target 16. Since the incident copper particles are released again (copper self-sputtering), plasma (copper plasma) is maintained near the surface of the target 16 even if the introduction of the sputtering gas is stopped.
[0043]
In this state, the copper plasma is stably maintained, the sputtering of the target 16 is continued, and a large amount of the released copper particles reach the surface of the substrate 2 and the copper thin film starts to grow.
[0044]
After the self-sputtering of copper is started and the inside of the vacuum chamber 10 reaches a high vacuum state, the AC power supply 24 is started and an AC voltage of several tens of volts (13.56 MHz) is applied to the electrode 17 to make the substrate 2 negative. Since it is biased to a potential, copper ions are attracted to the substrate 2 and enter the surface of the substrate 2 with a large energy.
[0045]
When micropores (and microgrooves) are formed on the surface of the substrate 2, the copper thin film that has grown on the openings of the micropores is removed by the incident copper ions, so there is no overhang and a high aspect ratio. The micropores can be filled with a copper thin film.
[0046]
FIGS. 2A to 2D show states when the fine holes 51 to 54 are filled with a copper thin film.
In FIGS. 4A and 4B, a conventional copper thin film forming method is used, and FIG. 4A shows a case where sputtering is performed with the distance between the substrate and the target close to each other, and FIG. ) Is a case where sputtering is performed at a substrate-target distance of 100 mm, a pressure of 0.1 Pa, and a lower pressure than usual.
[0047]
As can be seen from FIG. 5A, when the substrate and the target are brought close to each other, the copper thin film 71 forms an overhang 61 at the opening of the microhole 51, and a small amount of copper thin film is formed at the bottom of the microhole. Only grew.
[0048]
Further, as can be seen from FIG. 6B, even when the distance between the substrate and the target is increased, the overhang 62 is formed on the opening of the microhole 52 by the copper thin film 72.
[0049]
On the other hand, in the same figure (c), (d), the copper thin film formation method of the present invention is used, and the same figure (c) shows the case where sputtering is performed under the same conditions as in the above-mentioned embodiment. (d) shows a case where the target 16 is sputtered under the same conditions as in the above example except that no AC voltage is applied to the substrate 2 side.
[0050]
As can be seen from FIG. 6C, according to the present invention, no overhang is formed in the opening portion of the fine hole 53. This is presumably because the copper thin film in the portion 63 where the overhang grows in the prior art was scraped by the copper ion particles incident at high energy and reattached to the bottom surface side of the fine hole 53.
[0051]
Further, the thickness of the copper thin film 73 formed on the side wall of the microhole 53 is thick and the side coverage is good. This is because the particles of copper ions enter the microhole 53 in a high vacuum atmosphere. The copper ion particles reach the bottom surface of the micropores, whereby the thin film 64 growing on the bottom surface is sputtered. As a result, the copper particles are reattached to the side wall portion. This is thought to be due to the formation of
[0052]
On the other hand, in the case of the prior art, since the sputtering gas exists in the fine holes, the sputtering gas ions cannot reach the bottom surface of the fine holes even if an AC voltage is applied to the substrate side, and the side coverage is poor.
[0053]
On the other hand, in the case of the present invention, as shown in FIG. 4D, even if an AC voltage is not applied to the substrate, no overhang is formed in the opening portion of the microhole 54, and copper is formed in the microhole 54. As a result of the arrival of the particles and sputtering of the bottom copper thin film 74, the side coverage is significantly improved over the prior art.
[0054]
As described above, according to the present invention, a copper thin film can be formed in a high vacuum atmosphere, and as a result, a copper thin film that does not contain a sputtering gas and has good film quality and good side coverage is formed. It is possible.
[0055]
Next, the graph of FIG. 3 shows the relationship between the filling rate in the fine holes and the distance between the substrate and the target when the copper thin film is formed by the method of the present invention.
As shown in FIG. 4, when the thickness of the copper thin film 82 outside the fine hole (fine groove) 81 is d, the filling ratio on the vertical axis is the center of the copper thin film 82 on the bottom surface of the fine hole (fine groove) 81. From the thickness c ₂ near and the thicknesses c ₁ and c ₃ near the side wall,
Embedding rate = (c ₁ + c ₂ + c ₃ ) / d
This is the value obtained in. The aspect ratio b / a of the fine hole (fine groove) 81 is 1.5.
[0056]
In the prior art, since the target could only be sputtered with the sputtering gas introduced into the vacuum chamber 10, if the distance between the substrate and the target is too large, there is a high probability that the copper particles jumping out from the surface of the target 16 will collide with the sputtering gas. Thus, the linearity of the copper particles incident on the surface of the substrate 2 is lost, and the filling rate is reduced. In order to maintain the sputtering gas plasma stably, it is necessary to introduce the sputtering gas up to a certain pressure. Therefore, in the prior art, the upper limit of the distance between the substrate and the target is 100 mm.
[0057]
On the other hand, according to the copper thin film forming method of the present invention, the target can be stably sputtered at a very low pressure (high vacuum state), so that the distance between the substrate and the target can be 150 mm or more. As a result, the copper particles are perpendicularly incident on the substrate surface, and the embedding rate is high.
[0058]
The target 16 is not limited to a pure copper target, and the present invention can be widely used as a target that can be self-sputtered with copper as a main component.
[0059]
【The invention's effect】
Since the copper target can be sputtered in a high vacuum state, the sputtering gas is not taken into the copper thin film, and the copper thin film is not damaged by the incidence of the sputtering gas.
Since the distance between the substrate and the target can be increased, the filling rate of the fine holes can be increased.
Moreover, the side coverage in a micropore can be enlarged.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an example of a sputtering apparatus that can be used in the method of the present invention. FIG. 2 is a diagram for explaining a filling state of micro holes.
(a): When the distance between the substrate and the target is small in the conventional technology
(b): When the distance between the substrate and the target is large in the prior art
(c): In the present invention, when an AC voltage is applied to the substrate
(d): In the present invention, when no AC voltage is applied to the substrate. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the distance between the substrate and the target and the filling rate. FIG. 4 is a diagram for explaining the filling rate. 5] An example of a conventional sputtering apparatus [Explanation of symbols]
2 ... Substrate (object to be treated) 10 ... Vacuum chamber 16 ... Target consisting mainly of copper

Claims

A method for forming a copper thin film, wherein a vacuum atmosphere is formed in a vacuum chamber, a target containing copper as a main component is sputtered, and a copper thin film is formed on the surface of a processing object having fine holes ,
The processing object is arranged at a distance of 150 mm or more from the target,
Sputtering gas is introduced into the vacuum chamber, a DC voltage is applied to the target to generate plasma of the sputtering gas near the target surface ,
After the stopping of the introduction of the sputtering gas, the reducing the pressure in the vacuum chamber, to initiate self-sputtering of said target that by the copper plasma generated in the vicinity of the target surface,
Applying an alternating voltage to the electrode disposed on the back side of the object to be treated;
A method of forming a copper thin film , wherein copper ions are incident on a copper thin film grown on an opening of the fine hole, and the copper thin film in the opening of the fine hole is removed .

^{2. The} method for forming a copper thin film according to claim 1 , wherein electric power of 70 W or more is applied to the target per 1 cm ² of the target surface.