JP4335981B2 - High temperature reflow sputtering method and high temperature reflow sputtering apparatus - Google Patents

High temperature reflow sputtering method and high temperature reflow sputtering apparatus Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、基板に形成されたホール内に金属材料を埋め込む高温リフロースパッタリングの技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
LSI(大規模集積回路)に代表される半導体デバイスの製造では、微細なホール内に金属材料を埋め込む工程が必要とされている。例えば、電極部に設けたコンタクトホール内に配線材料を埋め込んで下地チャンネルとの導通を図るプラグ埋め込み工程や、多層配線構造における層間スルーホール内に配線材料を埋め込んで層間配線を行う工程等が行われている。
このような埋め込みは、ホール内に薄膜を堆積させることで行われる。この埋め込みは、メタルCVD(化学蒸着)と高温リフロースパッタリングとの併用で、これまで発展してきた。メタルCVDでは、例えばWF の還元反応によるタングステン膜の作成(ブランケットタングステン)が代表的であるし、高温リフロースパッタリングではアルミ合金製のターゲットをスパッタするのが代表的である。
【0003】
しかしながら、デバイスの高密度化と多層配線化に伴い、プロセスコストがかさむメタルCVDよりも、高温リフロースパッタリングの方が有利であると考えられてきている。高温リフロースパッタリングは、ホールの開口の直径又は幅(以下、ホール幅と称す)が小さくなってもメタルCVDに比較して配線抵抗が小さく抑えられる優位性もあり、0.25μm〜0.18μmのホール幅の埋め込みに有望視されている。
【0004】
そして、さらにデバイスの集積度が高くなり、0.13μm程度のホール幅のデバイス(4メガビットDRAM(Dynamic Random Access Memory)クラス)では、アルミ合金による埋め込みではプラグの抵抗値が限界となってしまうため、アルミ合金から銅合金に変更せざるを得ない可能性も指摘されている。従って、将来的には、銅合金よりなるターゲットをスパッタする高温リフロースパッタリングも視野に入れる必要がある。
【0005】
図5は、このような高温リフロースパッタリングを行う従来の高温リフロースパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。
図5に示すスパッタリング装置は、排気系21を備えたスパッタチャンバー2と、スパッタパッタチャンバー2内に被スパッタ面220を露出させるようにして設けられたターゲット22と、ターゲット22をスパッタするためのスパッタ電源23と、スパッタによって放出されたターゲット22の材料が到達するスパッタチャンバー2内の所定位置に基板9を配置するための基板ホルダー24と、スパッタチャンバー2内に所定のプロセスガスを導入するプロセスガス導入系25と、基板9を所定温度に加熱するよう基板ホルダー24内に設けられたヒータ26とを備えている。
【0006】
ターゲット22は例えばアルミ合金製であり、絶縁材221を介してスパッタチャンバー2に取り付けられている。スパッタ電源23は、ターゲット22に負の高電圧を印加するよう構成されている。アルゴン等のプロセスガスがプロセスガス導入系25によってスパッタチャンバー2に導入され、ターゲット22に負の高電圧が印加されると、接地電位である基板ホルダー24やスパッタチャンバー2の器壁との間に直流電界が設定され、この直流電界によってスパッタ放電が生ずる。このスパッタ放電によってターゲット22から放出された金属材料の粒子(通常は原子の状態、以下、スパッタ粒子と呼ぶ)は、基板9に到達してアルミ合金の薄膜を堆積する。
【0007】
一方、ヒータ26からの熱は基板ホルダー24を経由して基板9に与えられる。そして、ヒータ26が制御部によって制御され、基板9は所定の温度に制御される。基板9の表面に堆積した又は堆積しつつある薄膜は、基板9の熱によって流動化(リフロー)し、微細なホール内に流れ込む。この結果、ホール内にアルミ合金が埋め込まれ、基板9の表面が平坦化される。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
現在、デバイスの高密度化、多層複雑配線化、高速化、高機能化等を背景として、基板を450℃を越える温度にはしないようにして処理することが要請されている。しかしながら、上述した高温リフロースパッタリングでは、アルミ合金であれ、銅合金であれ、基板を500℃以上の高温に加熱しないと、十分流動化せず、ホール内に十分埋め込むことが困難である。450℃を越える温度でリフローさせると、例えば、下地層に対するバリアとして形成したTiN膜等が破壊される問題がある。また、450℃を越える温度でリフローさせて層間配線を行うと、下地層の配線材料もリフローしてしまう等の熱ダメージが生ずる問題がある。
【0009】
本願の発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、基板の温度を比較的低温に保ちながら、微細なホールの内面に配線材料を埋め込むことが可能な高温リフロースパッタリングの手法を提供することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項1記載の発明は、基板に形成された微細なホール内にアルミニウム又はアルミニウム合金を埋め込む高温リフロースパッタリング方法であって、
ホールの側面及び底面にアルミニウム又はアルミニウム合金のベース薄膜を薄く作成する第一の工程と、第一の工程の後、アルミニウム又はアルミニウム合金の薄膜をさらに堆積させてホール内にリフローさせることでホール内にアルミニウム又はアルミニウム合金を埋め込む第二の工程とよりなり、
第一の工程では、作成されるベース薄膜の途切れを防止することが可能な第一の温度で基板を加熱し、第二の工程では、第一の温度よりも高い第二の温度で基板を加熱しながらリフローを行うとともに、前記第一の工程では、ターゲットから放出されるアルミニウム又はアルミニウム合金のスパッタ粒子をイオン化し、このイオン化したスパッタ粒子を基板に垂直な電界によって加速して基板に垂直に多く入射させるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項2記載の発明は、上記請求項1の構成において、前記第一の温度は常温から150℃以下の範囲の温度であるという構成を有する。
上記課題を解決するため、請求項3記載の発明は、微細なホールが形成された基板の表面にスパッタリングによって金属材料の薄膜を作成し、基板を加熱して薄膜をリフローさせてホール内に金属材料を埋め込んでホールを平坦化する高温リフロースパッタリング装置であって、
排気系を備えたスパッタチャンバーと、スパッタチャンバー内に被スパッタ面を露出させるようにして設けられたターゲットと、ターゲットをスパッタするためのスパッタ電源と、スパッタによってターゲットから放出されたスパッタ粒子が到達するスパッタチャンバー内の所定位置に基板を配置するための基板ホルダーと、前記所定位置に配置された基板を加熱するヒータとを備えており、
前記基板ホルダーは、基板配置面に凹部が形成されているとともにその凹部に昇圧用ガスを導入する昇圧用ガス導入系と、前記基板ホルダーに前記基板を静電気によって吸着する静電吸着機構とを備えており、
前記ヒータは、ホールの側面及び底面に前記金属材料のベース薄膜を作成する第一の工程ではベース薄膜の途切れが防止される低い第一の温度で基板を加熱し、第一の工程の後の第二の工程では、第一の温度より高い第二の温度で基板を加熱してさらに堆積する金属材料の薄膜をホール内にリフローさせるものであり、
さらに、前記スパッタ粒子をイオン化させるイオン化手段と、基板に対して垂直な電界を設定して前記イオン化させたスパッタ粒子を加速して基板に垂直に入射させる電界設定手段とが設けられており、前記第一の工程において前記ベース薄膜をイオン化スパッタによって作成することが可能となっており、
前記静電吸着機構及び前記昇圧用ガス導入系は前記第一の工程では動作せず前記第二の工程ではともに動作するものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項4記載の発明は、上記請求項3の構成において、前記静電吸着機構は、前記第二の工程において、昇圧用ガス導入手段よりも先に動作するものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項5記載の発明は、上記請求項3又は4の構成において、前記ターゲットはアルミニウム又はアルミニウム合金製であり、前記第一の温度は常温から150℃以下であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項6記載の発明は、上記請求項1又は2の構成において、前記第二の工程における前記第二の温度は、300℃以上450℃以下であるという構成を有する。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。
図1は、本願発明の実施形態の高温リフロースパッタリング装置の概略構成を示す平面図である。本実施形態の装置は、マルチチャンバータイプの装置であり、中央に配置されたセパレーションチャンバー1と、セパレーションチャンバー1の周囲に設けられた複数の処理チャンバー2,3,4,5,6及び二つのロードロックチャンバー7とからなるチャンバー配置になっている。各チャンバー1,2,3,4,5,6,7は、専用又は兼用の排気系によって排気される真空容器である。また、セパレーションチャンバー1に対する各チャンバー2,3,4,5,6,7の接続個所にはゲートバルブ10がそれぞれ設けられている。
【0012】
セパレーションチャンバー1内には、搬送機構11が設けられている。搬送機構11は、一方のロードロックチャンバー7から基板9を一枚ずつ取り出し、各処理チャンバー2,3,4,5,6に送って順次処理を行うようになっている。そして、最後の処理を終了した後、他方のロードロックチャンバー7に戻すようになっている。
搬送機構11としては、先端に基板9を載置して保持するアームを備えた多関節ロボットが好適に使用される。二つのアームを備えて同時に二枚の基板9を独立して移動させることができるよう構成されると、搬送の効率が向上するため好適である。
また、セパレーションチャンバー1内は、不図示の排気系によって排気され、常時10-7〜10-8Torr程度の真空圧力が維持される。従って、搬送機構11としては、この真空圧力下で動作可能なものが採用される。
【0013】
次に、図2を使用して、スパッタチャンバー2の構成について説明する。図2は、図1に示すスパッタチャンバー2の構成を示す正面概略図である。
スパッタチャンバー2は、内部を排気する排気系21と、スパッタチャンバー2内に被スパッタ面220を露出させるようにして設けられたターゲット22と、ターゲット22をスパッタするためのスパッタ電源23と、スパッタによって放出されたターゲット22の材料が到達するスパッタチャンバー2内の所定位置に基板9を配置するための基板ホルダー24と、スパッタチャンバー2内に所定のプロセスガスを導入するプロセスガス導入系25と、基板9を所定温度に加熱するよう基板ホルダー24内に設けられたヒータ26とを備えている。
【0014】
スパッタチャンバー2は、ステンレス等で形成された気密な容器であり、電気的には接地されている。スパッタチャンバー2には、ゲートバルブ10が設けられており、搬送チャンバー1やロードロックチャンバー7を経由して大気側との基板9の搬入搬出が行われる。
排気系21は、ターボ分子ポンプやクライオポンプ等の複数段の真空ポンプ211を備えて、スパッタチャンバー2内を10-9Torr程度まで排気可能に構成される。排気系21には、バリアブルオリフィス等の不図示の排気速度調整器212が設けられており、所定の排気速度で排気可能となっている。
【0015】
ターゲット22は、絶縁材221を介してスパッタチャンバー2に取り付けられている。ターゲット22は、本実施形態ではアルミニウム又はアルミニウム合金製である。
スパッタ電源23は、ターゲット22に−500〜−700V程度の負の高電圧を印加するようになっている。この負の高電圧によって、ターゲット22と基板ホルダー24等との間に直流電界が設定され、スパッタ放電が生じる。
【0016】
ターゲット22の背後には、磁石機構222が設けられている。磁石機構222は、マグネトロン放電を達成させるものである。具体的には、磁石機構222は、中心磁石223と、中心磁石223を取り囲む周状の周辺磁石224と、中心磁石223及び周辺磁石224を固定した板状のヨーク225とから構成されている。中心磁石223と周辺磁石224との間には、ターゲット22を貫通するアーチ状の磁力線226が設定される。この磁力線226とターゲット22の被スパッタ面220とで囲まれた領域に電子が閉じこめられ、中性ガス分子が高い効率でイオン化する。このため、スパッタ放電が効率よく維持され、多くのスパッタ粒子が放出されて高い成膜速度が得られる。
また、スパッタ電源23によって設定される直流電界の向きはターゲット22の被スパッタ面220に垂直である。従って、アーチ状の磁力線226の頂上付近で磁界と電界が直交し、マグネトロン放電が達成される。即ち、電子がマグネトロン運動し、ターゲット22の中心軸の回りに周回してスパッタ放電の効率をさらに向上させる。
【0017】
スパッタ放電に必要なプロセスガスは、プロセスガス導入系25によって導入される。プロセスガス導入系25は、所定のガスを貯めたガスボンベ250と、ガスボンベ250とスパッタチャンバー2とをつなぐ配管251上に設けたバルブ252流量調整器253等で構成される。尚、ターゲット22から放出されるスパッタ粒子のイオン化のみでスパッタ放電が維持される場合、プロセスガスが導入されない場合もある。
【0018】
また、基板ホルダー24の内部には、輻射加熱方式等のヒータ26が設けられている。ヒータ26としては、例えば1kW程度の輻射加熱ランプが使用できる。尚、ヒータ26の別の構成としては、抵抗加熱方式のヒータを基板ホルダー24内に埋設するようにしてもよい。
【0019】
また、基板ホルダー24の基板配置面には凹部240が形成され、基板ホルダー24は、この凹部240に昇圧用ガスを導入するガス導入路241を有している。さらに、ガス導入路241には昇圧用ガス導入系242が接続されている。昇圧用ガスとしては、Ar、水素又はヘリウムが使用される。
【0020】
そして、本実施形態の装置では、基板9を静電気によって基板ホルダー24に吸着させる静電吸着機構243が設けられている。静電吸着機構243は、基板ホルダー24の一部として設けられた誘電体ブロック244内に埋設された一対の吸着電極246と、一対の吸着電極246の間に直流電圧を印加する吸着用電源247とから主に構成されている。
誘電体ブロック244はアルミナ等の誘電体製であり、金属製のホルダー本体245に対して密着性よく接合されている。誘電体ブロック244とホルダー本体245とは接着材等を使用して接合されるが、間に薄いカーボンシートのような緩衝材を介在させると、密着性よく両者が接合され、熱伝導性が良好に保たれる。
【0021】
吸着用電源247は、例えば300〜1kV程度の電圧を一対の吸着電極246の間に与えるよう構成されている。この電圧によって、誘電体ブロック244に誘電分極が生じ、表面に静電気が誘起される。この静電気によって、基板9が誘電体ブロック244に静電吸着される。この結果、基板ホルダー24に対する基板9の密着性が向上し、凹部240からの昇圧用ガスの漏れが効果的に防止される。このため、スパッタチャンバー2内の雰囲気と凹部240内との間に十分な差圧が形成され、スパッタチャンバー2内を所定の真空圧力に保ちつつも凹部240内は所定の高い圧力に維持される。従って、ヒータ26からの熱が基板ホルダー24を経由して効率よく基板9に伝えられ、基板9の急速加熱が可能となる。
【0022】
基板ホルダー24の基板配置面に形成された凹部240の形状について、補足して説明する。図3は、図1に示す基板ホルダー24の凹部240の形状について説明する平面概略図である。
図2及び図3に示す通り、本実施形態の装置では、周縁に沿って延びる円環状の凸部と、この円環状の凸部の内側に散在する小さな円柱状の凸部によって凹部240が形成されている。ガス導入路241の出口248は、基板ホルダー24の中央付近に形成されており、出口248から凹部240内に導入されたガスが、円柱状の凸部の間を通って拡散して凹部240内に充満するようになっている。
【0023】
このような凹部240の構成は、基板配置面のうち基板9に直接接触する面積を大きくするのに役立っている。即ち、平面視が円形のような単純な形状の凹部240であると、基板配置面のうち基板9に直接接する部分の面積は小さくなる。このため、静電吸着機構243によって吸着した場合に十分基板9を吸着できないこともあり得る。しかしながら、本実施形態のような形状の凹部240にして基板9に直接接する部分の面積を大きくすると、全体の吸着力が増し、基板9を十分確実に吸着することができる。
【0024】
さて、本実施形態の高温リフロースパッタリング装置の大きな特徴点は、スパッタによってターゲット22から放出されたスパッタ粒子をイオン化させるイオン化手段27と、基板9に対して垂直な電界を設定してイオン化したスパッタ粒子を加速させて基板9に垂直に入射させる電界設定手段28とが設けられている点である。
【0025】
イオン化手段27は、高周波エネルギーによってスパッタ粒子をイオン化させるようになっており、スパッタチャンバー2内に設けられたイオン化電極271と、イオン化電極271に高周波エネルギーを供給する高周波電源272とから構成されている。
イオン化電極271は、ターゲット22から基板9へのスパッタ粒子の飛行空間を取り囲むように設けられている。イオン化電極271には、例えば、金属メッシュを円筒状に形成したものやコイル状のものが使用される。
高周波電源272としては、例えば周波数13.56MHz出力1kW程度のものが使用される。イオン化電極271によってスパッタチャンバー2内に設定される高周波電界は、上記スパッタ放電によるプラズマPとは別に高周波放電によるプラズマP’を形成する。ターゲット22から放出される中性スパッタ粒子は、このプラズマP’中の通過する際に、プラズマP’中のイオンや電子と衝突してイオン化する(以下、イオン化スパッタ粒子)ようになっている。
【0026】
一方、電界設定手段28は、スパッタチャンバー2内に基板9に垂直な電界を設定し、上記イオン化スパッタ粒子を基板9に垂直に入射させるよう構成されている。電界設定手段28としては、本実施形態では、基板ホルダー24に高周波電圧を印加して高周波とプラズマP’との相互作用により基板9に負の自己バイアス電圧を与える基板用高周波電源281が採用されている。基板用高周波電源281としては、例えば13.56MHz出力300W程度のものが使用できる。
また、基板用高周波電源281と基板ホルダー24との間には、整合器282が設けられている。さらに、基板9及び基板ホルダー24がいずれも導体である場合、高周波の伝送経路に所定のコンデンサが設けられ、コンデンサを介して基板9に高周波電圧を印加するよう構成される。
【0027】
コンデンサ等のキャパシタンスを介して基板9に高周波電圧を印加すると、キャパシタンスの充放電にプラズマP’中の電子と正イオンが作用し、電子と正イオンの移動度の違いによって基板9に負の自己バイアス電位が生じる。プラズマP’の空間電位はほぼ接地電位もしくは20ボルト程度の正の電位であり、負の自己バイアス電位が生じた基板9とプラズマP’との間に、基板9に向かって徐々に電位が下がる電界が設定される。この電界の向きは基板9に対して垂直であり、正にイオン化されたスパッタ粒子はこの電界によって加速されて基板9にほぼ垂直に多く入射するようになっている。
【0028】
次に、図1に戻り、他の処理チャンバーの構成について説明する。
他の処理チャンバーのうちの一つは、成膜前に基板9をスパッタエッチングしてクリーニングするエッチングチャンバー3として構成される。装置に搬入される基板9の表面には、自然酸化膜や保護膜が形成されている場合がある。このような膜が形成されたままであると、作成する薄膜の電気特性が低下したり薄膜の付着性が悪くなったりする問題がある。そこで、成膜に先立ち、基板9の表面をスパッタエッチングして自然酸化膜や保護膜を除去している。
エッチングチャンバー3は、アルゴン等のスパッタエッチング用のガスを導入する手段と、導入されたガスに高周波エネルギーを供給するなどしてプラズマを形成する手段と、プラズマ中から正イオンを引き出して基板9に入射させる電界を設定する手段とを備えている。プラズマ中の正イオンが基板9の表面に入射すると、表面の自然酸化膜や保護膜がスパッタエッチングされて除去される。この結果、基板9の本来の材料の清浄な表面が露出する。
【0029】
また、他の処理チャンバーのうちの別の一つは、成膜前に基板9を予備加熱するプリヒートチャンバー4として構成される。プリヒートチャンバー4は、前述した基板ホルダー24と同様の不図示の基板ホルダーを備えている。基板ホルダー内には輻射加熱方式等のヒータが設けられており、基板ホルダーに載置された基板9を所定温度まで加熱できるよう構成されている。尚、基板ホルダーに基板9を静電吸着させて熱伝導性を向上させたり、基板ホルダーと基板9との間の隙間に熱伝導性を向上させるガスを供給したりすることがある。
予備加熱の主な目的は、脱ガス即ち基板9の吸蔵ガスを加熱して放出させることにある。この脱ガスを行っておかないと、スパッタチャンバー2における高温リフロースパッタリングの際に基板9から急激なガス放出が生じ、このガス放出によって薄膜内部に空洞が生じてしまう。このような空洞が生じると、配線抵抗が増加したり、最悪の場合には断線等の回路欠陥の原因となったりする場合がある。脱ガスのための基板9の加熱温度は、400〜500℃程度であり、加熱時間は、60〜180秒程度である。
【0030】
また、他の処理チャンバーのうちのさらに別の一つは、高温リフロースパッタ膜の下地膜としてバリア膜を作成するバリア膜作成チャンバー5として構成される。バリア膜には、通常、チタン膜が採用され、スパッタリングによって作成される。従って、バリア膜作成チャンバー5は、チタン製のターゲットを使用してスパッタリングを行う構成とされる。チタン製のターゲットを使用する他は、図2に示すスパッタチャンバーとほぼ同様の構成である。但し、スパッタリング中の基板9の温度は、400℃程度とされる。
【0031】
また、他の処理チャンバーのうちのさらに別の一つは、高温リフロースパッタ膜の上に積層する反射防止膜を作成する反射防止膜作成チャンバー6として構成される。反射防止膜は、後のリソグラフィ工程における基板9の露光時に、基板9からの反射光を防止するためのものである。反射防止膜には、通常、窒化チタン膜が採用され、スパッタリングによって作成される。反射防止膜作成チャンバー6は、チタン製のターゲットを使用するとともに、窒素ガスを導入してスパッタリングを行う構成とされる。チタン製のターゲットを使用する点、及び、窒素ガスを導入する点を除き、図2に示すスパッタチャンバーとほぼ同様の構成である。
反射防止膜作成チャンバー6では、チタン製ターゲットの表面で窒素と反応して形成された窒化チタンがスパッタによって放出さたり、ターゲットから放出されたチタンが窒素と反応して窒化チタンとなったりしながら、基板9の表面に窒化チタン薄膜が堆積する。尚、成膜中に基板9はヒータによって加熱されることはなく、30℃程度の温度である。
【0032】
次に、上記構成に係る実施形態の高温リフロースパッタリング装置の動作を説明しながら、高温リフロースパッタリング方法の発明の実施形態について説明する。
図1において、不図示のオートローダによって所定数の基板9が一方のロードロックチャンバー7に搬入され、ロードロックチャンバー7内のカセット71に収容されている。搬送機構11は、この一方のロードロックチャンバー7から一枚の基板9を取り出し、まずエッチングチャンバー3に送る。エッチングチャンバー3では、前述の通り表面の自然酸化膜や保護膜が除去される。次に、搬送機構11はこの基板9をプリヒートチャンバー4に送る。基板9は、プリヒートチャンバー4内で予備加熱され、脱ガスが行われる。
その後、搬送機構11は、この基板9をバリア膜作成チャンバー5に送る。バリア膜作成チャンバー5では、前述した通り、チタン製のターゲットをスパッタしてチタン薄膜がバリア膜として基板9の表面に作成される。
【0033】
次に、搬送機構11は、この基板9をスパッタチャンバー2に送る。そして、スパッタチャンバー2では、以下のように高温リフロースパッタリングを行って基板9の表面にアルミ膜を作成し、埋め込みを行う。
スパッタチャンバー2での動作は、実施形態の方法の大きな特徴点を成している。第一の大きな特徴点は、基板の温度が異なる二段階の工程で行われることである。即ち第一の工程では基板9の温度は低く維持され、第二の工程では基板9の温度は高く保たれる。そして、第二の大きな特徴点は、第一の工程では、イオン化スパッタによってボトムカバレッジ率よくホール内に成膜を行う点である。
【0034】
具体的に説明すると、搬送機構11によって基板9を基板ホルダー24上に載置した後、ゲートバルブ10を閉じる。基板ホルダー24内のヒータ26は常時動作しているが、静電吸着機構243及び昇圧用ガス導入系242は動作していない。従って、基板ホルダー24からの熱伝達は効率が悪く、基板ホルダー24に載置された際の基板9の温度上昇は少ない。例えば、基板9は100℃程度まで加熱されるに留まる。
この低い温度の状態で、第一の工程を行う。即ち、プロセスガスガス系25を動作させ、プロセスガスとしてのアルゴンガスがスパッタチャンバー2内に導入される。プロセスガス導入系25の流量調整器253よってアルゴンガスの流量を10〜30cc/分程度に調整するとともに排気系21の排気速度調整器212によって排気速度を調整し、スパッタチャンバー2内の圧力を1〜3mTorr程度に保つ。
【0035】
この状態で、スパッタ電源23を動作させ、アルゴンガスにスパッタ放電を生じさせてターゲット22をスパッタさせる。ターゲット22に与える電圧は600V程度である。同時にイオン化手段27の高周波電源272及び電界設定手段28の高周波電源281を動作させる。イオン化電極271には13.56MHz500Wの高周波電力が与えられ、基板ホルダー24には13.56MHz100Wの高周波電力が高周波電源281によって与えられる。
イオン化手段27によって形成されたプラズマP’中を通過する際に生成されたイオン化スパッタ粒子は、電界設定手段28が設定した電界によって加速されて基板9により垂直に近い角度で入射する。この結果、基板9の表面に形成された微細なホールの底面や側面に到達し易くなり、底面や側面に十分な被覆性でアルミ薄膜が作成される。
【0036】
次に、第二の工程を行う。まず、静電吸着機構243を動作させ、基板9を基板ホルダー24に静電吸着させる。その後、昇圧用ガス導入系242を動作させ、基板ホルダー24の表面の凹部240内にArガス、水素ガス又はヘリウムガスを導入して凹部240の圧力を10Torr程度に上昇させる。尚、静電吸着機構243と昇圧用ガス導入系242を同時に動作させたり、昇圧用ガス導入系242を先に動作させたりすると、基板9と基板ホルダー24との間にガスが流れて基板9が浮き、静電吸着が十分に作動しない恐れがある。
【0037】
このように静電吸着機構243及び昇圧用ガス導入系242を動作させると、ヒータ26が与える基板ホルダー24の熱は効率よく基板9に伝えられ、基板9の温度が上昇する。尚、静電吸着機構243及び昇圧用ガス導入系242を常時動作させ、ヒータ26への投入電力の制御によって温度制御を行ってもよいが、基板9の温度の応答性が良くない欠点がある。静電吸着機構243及び昇圧用ガス導入系242のオンオフによる基板9の温度制御は、応答性の点で優れている。
【0038】
不図示のヒータ制御部によってヒータ26が制御され、基板9の温度は、第一の工程の温度より高い所定の温度に維持される。この温度は、300〜450℃程度の温度である。この程度の温度に維持しながら、スパッタリングを継続し、堆積した又は堆積しつつあるアルミ膜をリフローさせてり、ホールの内部に埋め込みを行う。尚、この第二の工程では、イオン化手段27及び電界設定手段28は動作させてもさせなくてもよい。
【0039】
このようにして、スパッタチャンバー2にて高温リフロースパッタリングが行われた後、基板9は反射防止膜作成チャンバー6に搬送される。そして、窒化チタンよりなる反射防止膜が表面に作成される。その後、基板9は、必要に応じて冷却された後、他方のロードロックチャンバー7に搬送される。
【0040】
さて、上述した動作において、高温リフロースパッタリングの第一の工程におけるイオン化手段27及び電界設定手段28の動作は、以下のような発明者の知見に基づいている。この点を、図4を用いて以下に詳しく説明する。図4は、実施形態の方法及び装置の効果について説明した図である。
【0041】
まず、上述した第一第二の二段階の工程に分ける構成は、ボイドの無い良質な高温リフロースパッタリング膜を作成するのに貢献している。即ち、二段階に分けずに最初から高温(例えば500℃)でスパッタリングを行うと、図4(A)に示すように、ホール90の内部に融解した薄膜(以下、リフロー薄膜)91が埋め込まれず、ボイドと呼ばれる空洞92が生じてしまう。この原因は、リフロー薄膜91のホール90の内面に対する濡れ性(親和性)が十分でなく、リフロー薄膜91がその表面張力によって滞留してしまうからであると考えられる。
【0042】
一方、上述したように、第一の工程において低い温度で成膜を行うと、堆積する薄膜93は大きく融解することがなく、ホール90の内面や周囲に薄く堆積する(以下、この薄膜をベース薄膜93という)。そして、その後の第二の工程で温度を高くしてリフローさせながら成膜を行うと、リフロー薄膜91はベース薄膜93の上に融解するので、濡れ性が高く、上述したボイド92の発生は無い(図4(B))。尚、この第一の工程における温度は、アルミ又はアルミ合金の埋め込みの場合、常温から150℃程度であることが望ましい。150℃を越える温度であると、ベース薄膜93の途切れが生じ、ボイド92が発生する原因となる。
【0043】
上記のように、第一第二の工程に分けて予めベース薄膜93を作成する構成は、ボイド92の発生防止に一応効果的ではあるが、このようにしても、第二の工程では基板9を500℃程度まで加熱することが必要である。もし第二の工程において基板9の温度を300℃程度にすると、やはりホール90の内部にボイド92が発生してしまう(図4(C))。この原因は、リフロー薄膜91がベース薄膜93上を拡散していく速度は温度に依存しており、低い温度では拡散が不十分になるためであると考えられる。
【0044】
しかしながら、発明者の研究によると、ベース薄膜93のホール90内のカバレッジが高くなると、それほど温度を高くしなくてもボイド92の発生の無い成膜が行えることが判明した。即ち、図4(C)に示すように、通常のスパッタによってベース薄膜93を作成すると、ホール90の側面や底面には、ホール90の周囲の面に比べて薄くしかベース薄膜93が堆積しない。一方、上述したように、スパッタ粒子をイオン化させると、ホール90内にスパッタ粒子が到達し易くなり、ホール90の側面や底面への膜厚が厚くなる。そして、このようにホール90内のベース薄膜93が厚くなると、300℃程度の比較的低温でも、リフロー薄膜91の拡散が十分となり、図4(D)に示すようにボイドの無い埋め込みが可能となる。
【0045】
このような知見を踏まえ、本実施形態の装置におけるスパッタチャンバー2はイオン化手段27及び電界設定手段28を備えており、本実施形態の方法は、第一の工程においてスパッタ粒子をイオン化させて基板9により垂直に入射させるようにしている。
尚、高温リフロースパッタリングの用途としては、前述した埋め込みや層間スルーホールの埋め込みの他、タングステン膜上のAl平坦化等の用途がある。
【0046】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願の各請求項の発明によれば、ホール内のベース薄膜の膜厚が十分に厚くなるので、第二の工程において500℃を越えるような高温にしなくても、ボイドの無い高温リフロースパッタリングが行える。このため、微細化、高機能化が進展する次世代のデバイスの製作に適したものとなる。また、請求項の発明によれば、上記効果に加え、基板の温度上昇を静電吸着機構と昇圧用ガス導入系の動作によって行うので、応答性が良くなり、効率の良い処理が行える。また、請求項の発明によれば、上記効果に加え、基板の静電吸着が不十分になってしまう恐れがないという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願発明の実施形態の高温リフロースパッタリング装置の概略構成を示す平面図である。
【図2】図1に示すスパッタチャンバー2の構成を示す正面概略図である。
【図3】図2に示す基板ホルダー24の凹部240の形状について説明する平面概略図である。
【図4】実施形態の方法及び装置の効果について説明した図である。
【図5】従来の高温リフロースパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。
【符号の説明】
1 搬送チャンバー
10 ゲートバルブ
11 搬送機構
2 スパッタチャンバー
21 排気系
22 ターゲット
23 スパッタ電源
24 基板ホルダー
240 凹部
242 昇圧用ガス導入系
243 静電吸着機構
25 プロセスガス導入系
26 ヒータ
3 エッチングチャンバー
4 プリヒートチャンバー
5 バリア膜作成チャンバー
6 反射防止膜作成チャンバー
7 ロードロックチャンバー
9 基板
90 ホール
91 リフロー薄膜
92 ボイド
93 ベース薄膜
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high-temperature reflow sputtering technique in which a metal material is embedded in a hole formed in a substrate.
[0002]
[Prior art]
In the manufacture of a semiconductor device typified by LSI (Large Scale Integrated Circuit), a step of embedding a metal material in a minute hole is required. For example, a plug embedding process for embedding a wiring material in a contact hole provided in the electrode part to establish conduction with the underlying channel, or a process for embedding an interconnect material in an interlayer through hole in a multilayer wiring structure to perform interlayer wiring is performed. It has been broken.
Such embedding is performed by depositing a thin film in the hole. This embedding has been developed so far by the combined use of metal CVD (chemical vapor deposition) and high temperature reflow sputtering. In metal CVD, for exampleWF 6 Typically, a tungsten film is formed by a reduction reaction (blanket tungsten). In high-temperature reflow sputtering, a target made of an aluminum alloy is typically sputtered.
[0003]
However, high-density reflow sputtering has been considered to be more advantageous than metal CVD, which increases process costs, as the density of devices and multilayer wiring increases. High-temperature reflow sputtering has an advantage that the wiring resistance can be suppressed smaller than that of metal CVD even when the diameter or width of the hole opening (hereinafter referred to as the hole width) is reduced, and is 0.25 μm to 0.18 μm. Promising for filling the hole width.
[0004]
Further, the degree of integration of the device is further increased, and in a device having a hole width of about 0.13 μm (4-megabit DRAM (Dynamic Random Access Memory) class), the plug resistance value becomes the limit when embedded with an aluminum alloy. It has also been pointed out that there is a possibility to change from an aluminum alloy to a copper alloy. Therefore, in the future, high-temperature reflow sputtering for sputtering a target made of a copper alloy must also be taken into consideration.
[0005]
FIG. 5 is a front view showing a schematic configuration of a conventional high-temperature reflow sputtering apparatus that performs such high-temperature reflow sputtering.
The sputtering apparatus shown in FIG. 5 includes a sputter chamber 2 provided with an exhaust system 21 and a sputter sputtering chamber 2.Sputtered surface 220, A target 22 provided so as to be exposed, a sputtering power source 23 for sputtering the target 22, and emitted by sputteringTarget 22A substrate holder 24 for placing the substrate 9 at a predetermined position in the sputtering chamber 2 where the material reaches, a process gas introduction system 25 for introducing a predetermined process gas into the sputtering chamber 2, and the substrate 9 at a predetermined temperature. A heater 26 provided in the substrate holder 24 is provided for heating.
[0006]
The target 22 is made of, for example, an aluminum alloy, and is attached to the sputter chamber 2 via an insulating material 221. The sputtering power source 23 is configured to apply a negative high voltage to the target 22. When a process gas such as argon is introduced into the sputter chamber 2 by the process gas introduction system 25 and a negative high voltage is applied to the target 22, it is between the substrate holder 24 that is at ground potential and the wall of the sputter chamber 2. A DC electric field is set, and sputter discharge is generated by this DC electric field. Metal material particles (usually in an atomic state, hereinafter referred to as sputtered particles) released from the target 22 by this sputtering discharge reach the substrate 9 and deposit an aluminum alloy thin film.
[0007]
On the other hand, heat from the heater 26 is given to the substrate 9 via the substrate holder 24. AndThe heater 26 is a control unit.The substrate 9 is controlled to a predetermined temperature. The thin film deposited or being deposited on the surface of the substrate 9 is fluidized (reflowed) by the heat of the substrate 9 and flows into fine holes. As a result, the aluminum alloy is buried in the hole, and the surface of the substrate 9 is flattened.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Currently, there is a demand for processing the substrate so as not to exceed 450 ° C. against the background of higher density devices, more complex multilayer wiring, higher speed, higher functionality, and the like. However, in the above-described high-temperature reflow sputtering, whether it is an aluminum alloy or a copper alloy, unless the substrate is heated to a high temperature of 500 ° C. or higher, it does not fluidize sufficiently and it is difficult to sufficiently fill the hole. When reflowing is performed at a temperature exceeding 450 ° C., for example, there is a problem that a TiN film or the like formed as a barrier for the underlayer is destroyed. Further, when interlayer wiring is performed by reflowing at a temperature exceeding 450 ° C., there is a problem that thermal damage such as reflow of the wiring material of the underlying layer occurs.
[0009]
The invention of the present application has been made to solve such a problem, and a high-temperature reflow sputtering method capable of embedding a wiring material in the inner surface of a fine hole while keeping the temperature of the substrate relatively low. The purpose is to provide.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 of the present application is a high-temperature reflow sputtering method in which aluminum or an aluminum alloy is embedded in a fine hole formed in a substrate,
A first step of thinly forming a base thin film of aluminum or aluminum alloy on the side surface and bottom surface of the hole, and after the first step, a thin film of aluminum or aluminum alloy is further deposited and reflowed into the hole. A second step of embedding aluminum or aluminum alloy in the
In the first step, the substrate is heated at a first temperature capable of preventing breakage of the base thin film to be created, and in the second step, the substrate is heated at a second temperature higher than the first temperature. While performing reflow while heating, in the first step, the sputtered particles of aluminum or aluminum alloy released from the target are ionized, and the ionized sputtered particles are accelerated by an electric field perpendicular to the substrate to be perpendicular to the substrate. It has a configuration in which a large amount of light is incident.
  In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to claim 2 has a structure in which, in the structure of claim 1, the first temperature is a temperature in a range from room temperature to 150 ° C. or less.
  In order to solve the above-mentioned problems, a third aspect of the invention is that a thin film of a metal material is formed by sputtering on the surface of a substrate on which fine holes are formed, and the substrate is heated to reflow the thin film so that the metal is in the holes. A high-temperature reflow sputtering apparatus that buryes material and flattens holes,
Sputtering chamber equipped with an exhaust system, a target provided to expose the surface to be sputtered in the sputtering chamber, a sputtering power source for sputtering the target, and sputtered particles released from the target by sputtering reach A substrate holder for placing the substrate at a predetermined position in the sputtering chamber, and a heater for heating the substrate placed at the predetermined position;
  The substrate holder includes a pressurization gas introduction system for introducing a pressurization gas into the recess, and an electrostatic adsorption mechanism for adsorbing the substrate to the substrate holder by static electricity. And
  The heater heats the substrate at a low first temperature at which the base thin film is prevented from being interrupted in the first step of forming the base thin film of the metal material on the side and bottom surfaces of the hole, and after the first step In the second step, the substrate is heated at a second temperature higher than the first temperature to further reflow the metal material thin film to be deposited in the hole,
  Further, ionizing means for ionizing the sputtered particles, and electric field setting means for setting the electric field perpendicular to the substrate and accelerating the ionized sputtered particles to enter the substrate vertically are provided, In the first step, it is possible to create the base thin film by ionization sputtering,
  The electrostatic adsorption mechanism and the pressurizing gas introduction system do not operate in the first step but operate in the second step.
  In order to solve the above problem, according to a fourth aspect of the present invention, in the configuration of the third aspect, the electrostatic adsorption mechanism operates prior to the pressurizing gas introducing means in the second step. It has the structure of being a thing.
  In order to solve the above problem, the invention according to claim 5 is the configuration according to claim 3 or 4, wherein the target is made of aluminum or an aluminum alloy, and the first temperature is from room temperature to 150 ° C. or less. It has a configuration that there is.
  In order to solve the above problem, the invention according to claim 6 is the configuration according to claim 1 or 2, wherein the second step is performed.The second temperature in is 300 ° C. or higher and 450 ° C. or lower.It has the structure of.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of a high-temperature reflow sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention. The apparatus of the present embodiment is a multi-chamber type apparatus, and a separation chamber 1 disposed in the center,Separation chamber 1A plurality of processing chambers 2, 3, 4, 5, 6 and two load lock chambers 7 provided around the chamber are arranged. Each of the chambers 1, 2, 3, 4, 5, 6, and 7 is a vacuum container that is evacuated by a dedicated or dual-purpose exhaust system. Further, gate valves 10 are respectively provided at connection points of the chambers 2, 3, 4, 5, 6, and 7 with respect to the separation chamber 1.
[0012]
A conveyance mechanism 11 is provided in the separation chamber 1. The transport mechanism 11 takes out the substrates 9 one by one from one load lock chamber 7 and sends them to the respective processing chambers 2, 3, 4, 5, 6 for sequential processing. And after finishing the last process, it returns to the other load lock chamber 7. FIG.
As the transport mechanism 11, an articulated robot having an arm for placing and holding the substrate 9 at the tip is preferably used. It is preferable to provide two arms so that the two substrates 9 can be moved independently at the same time because the transfer efficiency is improved.
The separation chamber 1 is evacuated by an exhaust system (not shown) and is always 10-7-10-8A vacuum pressure of about Torr is maintained. Therefore, a mechanism that can operate under this vacuum pressure is adopted as the transport mechanism 11.
[0013]
Next, the configuration of the sputtering chamber 2 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic front view showing the configuration of the sputtering chamber 2 shown in FIG.
The sputter chamber 2 includes an exhaust system 21 that exhausts the inside and a sputter chamber 2.Sputtered surface 220Provided to exposeTarget 22A sputtering power source 23 for sputtering the target 22, a substrate holder 24 for placing the substrate 9 at a predetermined position in the sputtering chamber 2 where the material of the target 22 released by sputtering reaches, A process gas introduction system 25 for introducing a predetermined process gas into the substrate 9 and a heater 26 provided in the substrate holder 24 so as to heat the substrate 9 to a predetermined temperature are provided.
[0014]
The sputter chamber 2 is an airtight container formed of stainless steel or the like, and is electrically grounded. A gate valve 10 is provided in the sputter chamber 2, and the substrate 9 is carried into and out of the atmosphere via the transfer chamber 1 and the load lock chamber 7.
The exhaust system 21 includes a plurality of stages of vacuum pumps 211 such as a turbo molecular pump and a cryopump.-9It is configured to be able to exhaust to about Torr. The exhaust system 21 is provided with an exhaust speed regulator 212 (not shown) such as a variable orifice, and can exhaust at a predetermined exhaust speed.
[0015]
The target 22 is attached to the sputter chamber 2 via an insulating material 221. In this embodiment, the target 22 is made of aluminum or an aluminum alloy.
The sputtering power source 23 applies a negative high voltage of about −500 to −700 V to the target 22. Due to this negative high voltage, a DC electric field is set between the target 22 and the substrate holder 24 and the like, and sputter discharge occurs.
[0016]
A magnet mechanism 222 is provided behind the target 22. The magnet mechanism 222 achieves magnetron discharge. Specifically, the magnet mechanism 222 surrounds the center magnet 223 and the center magnet 223.CircumferentialThe peripheral magnet 224 includes a central magnet 223 and a plate-like yoke 225 to which the peripheral magnet 224 is fixed. Between the center magnet 223 and the peripheral magnet 224, an arch-shaped magnetic force line 226 that penetrates the target 22 is set. Electrons are confined in a region surrounded by the magnetic force lines 226 and the sputtering target surface 220 of the target 22, and neutral gas molecules are ionized with high efficiency. For this reason, sputter discharge is maintained efficiently, and many sputtered particles are released, so that a high deposition rate can be obtained.
Further, the direction of the DC electric field set by the sputtering power source 23 is perpendicular to the surface to be sputtered 220 of the target 22. Accordingly, the magnetic field and the electric field are orthogonal to each other in the vicinity of the top of the arched magnetic field line 226, and a magnetron discharge is achieved. That is, electrons move in a magnetron motion and circulate around the center axis of the target 22 to further improve the efficiency of sputtering discharge.
[0017]
A process gas necessary for the sputter discharge is introduced by the process gas introduction system 25. The process gas introduction system 25 connects a gas cylinder 250 that stores a predetermined gas, and the gas cylinder 250 and the sputter chamber 2.Piping 251Provided aboveValve 252AndFlow rate regulator 253Etc. In addition, when sputter discharge is maintained only by ionization of sputtered particles emitted from the target 22, the process gas may not be introduced.
[0018]
A heater 26 such as a radiant heating method is provided inside the substrate holder 24. As the heater 26, for example, a radiation heating lamp of about 1 kW can be used. As another configuration of the heater 26, a resistance heating type heater may be embedded in the substrate holder 24.
[0019]
Further, a recess 240 is formed on the substrate placement surface of the substrate holder 24, and the substrate holder 24 has a gas introduction path 241 for introducing a pressurizing gas into the recess 240. Further, a gas introduction system 242 for boosting is connected to the gas introduction path 241. As gas for pressurization,Ar, hydrogen or heliumIs used.
[0020]
In the apparatus of this embodiment, the substrate 9 isStatic electricityAn electrostatic chucking mechanism 243 for chucking onto the substrate holder 24 is provided. The electrostatic adsorption mechanism 243 includes a pair of adsorption electrodes 246 embedded in a dielectric block 244 provided as a part of the substrate holder 24, and an adsorption power source 247 that applies a DC voltage between the pair of adsorption electrodes 246. And is composed mainly of.
The dielectric block 244 is made of a dielectric material such as alumina and is bonded to the metal holder main body 245 with good adhesion. The dielectric block 244 and the holder body 245 are joined using an adhesive or the like, but if a cushioning material such as a thin carbon sheet is interposed therebetween, the two are joined with good adhesion, and the thermal conductivity is good. To be kept.
[0021]
The suction power supply 247 is configured to apply a voltage of, for example, about 300 to 1 kV between the pair of suction electrodes 246. This voltage causes dielectric polarization in the dielectric block 244 and induces static electricity on the surface. Due to this static electricity, the substrate 9 is electrostatically attracted to the dielectric block 244. As a result, the adhesion of the substrate 9 to the substrate holder 24 is improved, and the pressurization gas leakage from the recess 240 is effectively prevented. For this reason, a sufficient differential pressure is formed between the atmosphere in the sputter chamber 2 and the recess 240, and the recess 240 is maintained at a predetermined high pressure while maintaining the sputter chamber 2 at a predetermined vacuum pressure. . Therefore, the heat from the heater 26 is efficiently transmitted to the substrate 9 via the substrate holder 24, and the substrate 9 can be rapidly heated.
[0022]
A supplementary description will be given of the shape of the recess 240 formed on the substrate placement surface of the substrate holder 24. FIG. 3 is a schematic plan view for explaining the shape of the recess 240 of the substrate holder 24 shown in FIG.
As shown in FIGS. 2 and 3, in the apparatus according to the present embodiment, the concave portion 240 is formed by an annular convex portion extending along the periphery and small cylindrical convex portions scattered inside the annular convex portion. Has been. The outlet 248 of the gas introduction path 241 isNear the center of the substrate holder 24The gas introduced into the concave portion 240 from the outlet 248 diffuses through the cylindrical convex portions and fills the concave portion 240.
[0023]
Such a configuration of the recess 240 serves to increase the area of the substrate placement surface that directly contacts the substrate 9. That is, if the concave portion 240 has a simple shape such as a circular shape in plan view, the area of the portion of the substrate placement surface that directly contacts the substrate 9 is reduced. For this reason, the substrate 9 may not be sufficiently adsorbed when adsorbed by the electrostatic adsorption mechanism 243. However, if the area of the portion directly in contact with the substrate 9 is increased by forming the concave portion 240 as in the present embodiment, the overall adsorption force increases, and the substrate 9 can be adsorbed sufficiently reliably.
[0024]
The high-temperature reflow sputtering apparatus according to this embodiment is characterized mainly by ionization means 27 for ionizing sputtered particles emitted from the target 22 by sputtering and sputtered particles ionized by setting an electric field perpendicular to the substrate 9. And an electric field setting means 28 for accelerating the incidence of light vertically on the substrate 9.
[0025]
The ionization means 27 is adapted to ionize sputtered particles with high-frequency energy, and includes an ionization electrode 271 provided in the sputtering chamber 2 and a high-frequency power source 272 that supplies high-frequency energy to the ionization electrode 271. .
The ionization electrode 271 is provided so as to surround the flight space of sputtered particles from the target 22 to the substrate 9. As the ionization electrode 271, for example, a metal mesh formed in a cylindrical shape or a coil shape is used.
As the high frequency power supply 272, for example, a power supply having a frequency of about 13.56 MHz and an output of about 1 kW is used. The high frequency electric field set in the sputter chamber 2 by the ionization electrode 271 forms a plasma P ′ by high frequency discharge separately from the plasma P by sputter discharge. The neutral sputtered particles emitted from the target 22 collide with ions and electrons in the plasma P ′ when passing through the plasma P ′ and are ionized (hereinafter referred to as ionized sputtered particles).
[0026]
On the other hand, the electric field setting means 28 is configured to set an electric field perpendicular to the substrate 9 in the sputtering chamber 2 and to cause the ionized sputtered particles to enter the substrate 9 perpendicularly. As the electric field setting means 28, in this embodiment, a high frequency power supply 281 for a substrate that applies a high frequency voltage to the substrate holder 24 and applies a negative self-bias voltage to the substrate 9 by the interaction between the high frequency and the plasma P ′ is adopted. ing. As the substrate high-frequency power supply 281, for example, a power supply having a 13.56 MHz output of about 300 W can be used.
A matching unit 282 is provided between the high frequency power supply 281 for the substrate and the substrate holder 24. Further, when both the substrate 9 and the substrate holder 24 are conductors, a predetermined capacitor is provided in the high-frequency transmission path, and a high-frequency voltage is applied to the substrate 9 via the capacitor.
[0027]
When a high-frequency voltage is applied to the substrate 9 through a capacitance such as a capacitor, electrons and positive ions in the plasma P ′ act on the charge and discharge of the capacitance, and negative self-force is applied to the substrate 9 due to the difference in mobility between the electrons and positive ions. A bias potential is generated. The space potential of the plasma P ′ is almost the ground potential or a positive potential of about 20 volts, and the potential gradually decreases toward the substrate 9 between the substrate 9 where the negative self-bias potential is generated and the plasma P ′. An electric field is set. The direction of the electric field is perpendicular to the substrate 9, and positively ionized sputtered particles are accelerated by the electric field and are incident on the substrate 9 in a large amount almost perpendicularly.
[0028]
Next, returning to FIG. 1, the configuration of another processing chamber will be described.
One of the other processing chambers is configured as an etching chamber 3 that cleans the substrate 9 by sputter etching before film formation. A natural oxide film or a protective film may be formed on the surface of the substrate 9 carried into the apparatus. If such a film is formed as it is, there is a problem that the electrical characteristics of the thin film to be produced are deteriorated or the adhesion of the thin film is deteriorated. Therefore, prior to film formation, the surface of the substrate 9 is sputter-etched to remove the natural oxide film and the protective film.
The etching chamber 3 includes means for introducing a gas for sputter etching such as argon, means for forming a plasma by supplying high-frequency energy to the introduced gas, and extracting positive ions from the plasma to the substrate 9. And means for setting an electric field to be incident. Positive ions in the plasmaOf substrate 9When incident on the surface, the natural oxide film and protective film on the surface are removed by sputter etching. As a result, the clean surface of the original material of the substrate 9 is exposed.
[0029]
Another one of the other processing chambers is configured as a preheat chamber 4 for preheating the substrate 9 before film formation. The preheat chamber 4 includes a substrate holder (not shown) similar to the substrate holder 24 described above. A heater such as a radiant heating method is provided in the substrate holder so that the substrate 9 placed on the substrate holder can be heated to a predetermined temperature. In addition, the substrate 9 is electrostatically attracted to the substrate holder to improve the thermal conductivity, or a gas for improving the thermal conductivity is supplied to the gap between the substrate holder and the substrate 9.There are things to do.
The main purpose of the preheating is to degas, that is, to release the stored gas of the substrate 9 by heating. If this degassing is not performed, a rapid gas release occurs from the substrate 9 during the high-temperature reflow sputtering in the sputtering chamber 2, and this gas release causesInside the thin filmA cavity is created. When such a cavity is generated, the wiring resistance may increase, or in the worst case, it may cause a circuit defect such as disconnection. The heating temperature of the substrate 9 for degassing is about 400 to 500 ° C., and the heating time is about 60 to 180 seconds.
[0030]
Further, another one of the other processing chambers is configured as a barrier film creation chamber 5 for creating a barrier film as a base film for the high-temperature reflow sputtering film. As the barrier film, a titanium film is usually employed and is formed by sputtering. Therefore, the barrier film creation chamber 5 is configured to perform sputtering using a titanium target. The configuration is substantially the same as that of the sputtering chamber shown in FIG. 2 except that a titanium target is used. However, the temperature of the substrate 9 during sputtering is about 400 ° C.
[0031]
Further, another one of the other processing chambers is configured as an antireflection film forming chamber 6 for forming an antireflection film to be laminated on the high temperature reflow sputtering film. The antireflection film is for preventing reflected light from the substrate 9 when the substrate 9 is exposed in a later lithography process. As the antireflection film, a titanium nitride film is usually employed and is formed by sputtering. The antireflection film creation chamber 6 is configured to perform sputtering by using a target made of titanium and introducing nitrogen gas. The configuration is substantially the same as the sputtering chamber shown in FIG. 2 except that a titanium target is used and nitrogen gas is introduced.
In the antireflection film forming chamber 6, titanium nitride formed by reacting with nitrogen on the surface of the titanium target is released by sputtering, or titanium released from the target reacts with nitrogen to become titanium nitride. A titanium nitride thin film is deposited on the surface of the substrate 9. During the film formation, the substrate 9 is not heated by the heater and is at a temperature of about 30 ° C.
[0032]
Next, while explaining the operation of the high temperature reflow sputtering apparatus of the embodiment according to the above configuration, an embodiment of the invention of the high temperature reflow sputtering method will be described.
In FIG. 1, a predetermined number of substrates 9 are moved to oneLoad lock chamber 7And is accommodated in a cassette 71 in the load lock chamber 7. The transport mechanism 11 takes out one substrate 9 from the one load lock chamber 7 and first sends it to the etching chamber 3. In the etching chamber 3, the natural oxide film and the protective film on the surface are removed as described above. Next, the transport mechanism 11 sends the substrate 9 to the preheat chamber 4. The substrate 9 is preheated in the preheat chamber 4 and degassed.
Thereafter, the transport mechanism 11 sends the substrate 9 to the barrier film creation chamber 5. In the barrier film creation chamber 5, as described above, a titanium target is sputtered to form a titanium thin film on the surface of the substrate 9 as a barrier film.
[0033]
Next, the transport mechanism 11 sends the substrate 9 to the sputter chamber 2. In the sputtering chamber 2, high-temperature reflow sputtering is performed as follows to create an aluminum film on the surface of the substrate 9 and embed it.
The operation in the sputter chamber 2 is a major feature of the method of the embodiment. The first major feature is that the process is performed in two steps with different substrate temperatures. That is, in the first step, the substrate 9Low temperatureIn the second step, the temperature of the substrate 9 is kept high. The second major feature is that in the first step, film formation is performed in the hole with a bottom coverage rate by ionization sputtering.
[0034]
More specifically, after the substrate 9 is placed on the substrate holder 24 by the transport mechanism 11, the gate valve 10 is closed. In the substrate holder 24Heater 26Is always operating, but the electrostatic adsorption mechanism 243 and the pressure-increasing gas introduction system 242 are not operating. Therefore, the heat transfer from the substrate holder 24 is inefficient and the temperature rise of the substrate 9 when placed on the substrate holder 24 is small. For example, the substrate 9 remains heated to about 100 ° C.
The first step is performed in this low temperature state. That is, the process gas gas system 25 is operated, and argon gas as a process gas is introduced into the sputtering chamber 2. Of the process gas introduction system 25Flow rate regulator 253Therefore, the flow rate of the argon gas is adjusted to about 10 to 30 cc / min, and the exhaust speed is adjusted by the exhaust speed adjuster 212 of the exhaust system 21 to keep the pressure in the sputter chamber 2 at about 1 to 3 mTorr.
[0035]
In this state, the sputtering power source 23 is operated to cause sputtering discharge in the argon gas to sputter the target 22. The voltage applied to the target 22 is about 600V. At the same time, the high frequency power supply 272 of the ionization means 27 and the high frequency power supply 281 of the electric field setting means 28 are operated. High frequency power of 13.56 MHz and 500 W is applied to the ionization electrode 271, and high frequency power of 13.56 MHz and 100 W is applied to the substrate holder 24 from a high frequency power supply 281.
The ionized sputtered particles generated when passing through the plasma P ′ formed by the ionizing means 27 are accelerated by the electric field set by the electric field setting means 28 and are incident on the substrate 9 at an angle close to vertical. As a result, it becomes easy to reach the bottom and side surfaces of the fine holes formed on the surface of the substrate 9, and an aluminum thin film is formed with sufficient coverage on the bottom and side surfaces.
[0036]
Next, the second step is performed. First, the electrostatic attraction mechanism 243 is operated to electrostatically attract the substrate 9 to the substrate holder 24. Thereafter, the pressurization gas introduction system 242 is operated to introduce Ar gas, hydrogen gas, or helium gas into the recess 240 on the surface of the substrate holder 24 to increase the pressure in the recess 240 to about 10 Torr. Note that if the electrostatic adsorption mechanism 243 and the pressurization gas introduction system 242 are operated simultaneously, or if the pressurization gas introduction system 242 is operated first, the gas flows between the substrate 9 and the substrate holder 24, and the substrate 9. May float and electrostatic adsorption may not operate sufficiently.
[0037]
When the electrostatic adsorption mechanism 243 and the boosting gas introduction system 242 are operated in this way, the heat of the substrate holder 24 given by the heater 26 is efficiently transferred to the substrate 9 and the temperature of the substrate 9 rises. Although the electrostatic adsorption mechanism 243 and the pressure-increasing gas introduction system 242 may be operated at all times and the temperature control may be performed by controlling the electric power supplied to the heater 26, there is a drawback that the temperature responsiveness of the substrate 9 is not good. . The temperature control of the substrate 9 by turning on / off the electrostatic adsorption mechanism 243 and the gas introduction system 242 for boosting is excellent in terms of responsiveness.
[0038]
The heater 26 is controlled by a heater control unit (not shown), and the temperature of the substrate 9 is maintained at a predetermined temperature higher than the temperature of the first step. This temperature is about 300 to 450 ° C. While maintaining this temperature, sputtering is continued, the deposited or deposited aluminum film is reflowed, and the hole is embedded. In the second step, the ionization means 27 and the electric field setting means 28 may or may not be operated.
[0039]
In this way, after high-temperature reflow sputtering is performed in the sputtering chamber 2, the substrate 9 is transferred to the antireflection film forming chamber 6. Then, an antireflection film made of titanium nitride is formed on the surface. Thereafter, the substrate 9 is cooled as necessary, and then transferred to the other load lock chamber 7.
[0040]
Now, in the operation described above, the operations of the ionization means 27 and the electric field setting means 28 in the first step of the high-temperature reflow sputtering are based on the following knowledge of the inventors. This point will be described in detail below with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram for explaining the effect of the method and apparatus of the embodiment.
[0041]
First, the structure divided into the first and second two-stage processes described above contributes to the production of a high-quality high-temperature reflow sputtering film having no voids. That is, if sputtering is performed at a high temperature (for example, 500 ° C.) from the beginning without dividing into two stages, as shown in FIG. 4A, a melted thin film (hereinafter referred to as a reflow thin film) 91 is not embedded in the hole 90. A cavity 92 called a void is generated. This is considered to be because the wettability (affinity) of the reflow thin film 91 with respect to the inner surface of the hole 90 is not sufficient, and the reflow thin film 91 is retained by the surface tension.
[0042]
On the other hand, as described above, when the film is formed at a low temperature in the first step, the thin film 93 to be deposited is not melted greatly and is thinly deposited on the inner surface and the periphery of the hole 90 (hereinafter, this thin film is used as a base). Referred to as thin film 93). Then, when the film is formed while reflowing at a higher temperature in the subsequent second step, the reflow thin film 91 is melted on the base thin film 93, so that the wettability is high and the above-mentioned void 92 is not generated. (FIG. 4B). The temperature in this first step is preferably from room temperature to about 150 ° C. when aluminum or aluminum alloy is embedded. When the temperature is higher than 150 ° C., the base thin film 93 is interrupted, causing the void 92 to be generated.
[0043]
As described above, the configuration in which the base thin film 93 is formed in advance in the first and second steps is effective for preventing the generation of the void 92. However, even in this case, the substrate 9 is formed in the second step. It is necessary to heat to about 500 degreeC. If the temperature of the substrate 9 is set to about 300 ° C. in the second step, a void 92 is also generated inside the hole 90 (FIG. 4C). This is considered to be because the speed at which the reflow thin film 91 diffuses on the base thin film 93 depends on the temperature, and the diffusion becomes insufficient at a low temperature.
[0044]
However, according to the inventor's research, it has been found that when the coverage in the hole 90 of the base thin film 93 is increased, film formation without the generation of voids 92 can be performed without increasing the temperature so much. That is, as shown in FIG. 4C, when the base thin film 93 is formed by normal sputtering, the base thin film 93 is deposited on the side surface and bottom surface of the hole 90 only thinner than the surface around the hole 90. On the other hand, as described above, when the sputtered particles are ionized, the sputtered particles easily reach the hole 90 and the film thickness on the side surface and the bottom surface of the hole 90 is increased. When the base thin film 93 in the hole 90 is thus thickened, the reflow thin film 91 is sufficiently diffused even at a relatively low temperature of about 300 ° C., and as shown in FIG. Become.
[0045]
Based on such knowledge, the sputter chamber 2 in the apparatus of this embodiment includes an ionization means 27 and an electric field setting means 28. In the method of this embodiment, the sputtered particles are ionized in the first step to form the substrate 9. So that it is incident vertically.
Note that the high-temperature reflow sputtering is used for, for example, Al flattening on a tungsten film in addition to the above-described filling and filling of interlayer through holes.
[0046]
【The invention's effect】
  As described above, according to the invention of each claim of the present application, since the film thickness of the base thin film in the hole becomes sufficiently thick, the voids can be formed even if the temperature does not exceed 500 ° C. in the second step. High temperature reflow sputtering can be performed. For this reason, it becomes suitable for manufacture of the next-generation device in which miniaturization and high functionality progress. Claims3According to the invention, in addition to the above effects, the temperature of the substrate is increased by the operation of the electrostatic adsorption mechanism and the pressure-increasing gas introduction system. Claims4According to the invention, in addition to the above effect, there is an effect that there is no fear that the electrostatic adsorption of the substrate becomes insufficient.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of a high-temperature reflow sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic front view showing a configuration of a sputtering chamber 2 shown in FIG. 1. FIG.
3 is a schematic plan view for explaining the shape of a recess 240 of the substrate holder 24 shown in FIG.
FIG. 4 is a diagram for explaining the effect of the method and apparatus of the embodiment.
FIG. 5 is a front view showing a schematic configuration of a conventional high-temperature reflow sputtering apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Transfer chamber
10 Gate valve
11 Transport mechanism
2 Sputter chamber
21 Exhaust system
22 Target
23 Sputtering power supply
24 Substrate holder
240 recess
242 Gas introduction system for pressurization
243 Electrostatic adsorption mechanism
25 Process gas introduction system
26 Heater
3 Etching chamber
4 Preheat chamber
5 Barrier film creation chamber
6 Antireflection film creation chamber
7 Load lock chamber
9 Board
90 holes
91 Reflow thin film
92 Void
93 Base thin film

Claims (6)

基板に形成された微細なホール内にアルミニウム又はアルミニウム合金を埋め込む高温リフロースパッタリング方法であって、
ホールの側面及び底面にアルミニウム又はアルミニウム合金のベース薄膜を薄く作成する第一の工程と、第一の工程の後、アルミニウム又はアルミニウム合金の薄膜をさらに堆積させてホール内にリフローさせることでホール内にアルミニウム又はアルミニウム合金を埋め込む第二の工程とよりなり、
第一の工程では、作成されるベース薄膜の途切れを防止することが可能な第一の温度で基板を加熱し、第二の工程では、第一の温度よりも高い第二の温度で基板を加熱しながらリフローを行うとともに、前記第一の工程では、ターゲットから放出されるアルミニウム又はアルミニウム合金のスパッタ粒子をイオン化し、このイオン化したスパッタ粒子を基板に垂直な電界によって加速して基板に垂直に多く入射させることを特徴とする高温リフロースパッタリング方法。
A high-temperature reflow sputtering method in which aluminum or an aluminum alloy is embedded in fine holes formed in a substrate,
A first step of thinly forming a base thin film of aluminum or aluminum alloy on the side surface and bottom surface of the hole, and after the first step, a thin film of aluminum or aluminum alloy is further deposited and reflowed into the hole. A second step of embedding aluminum or aluminum alloy in the
In the first step, the substrate is heated at a first temperature capable of preventing breakage of the base thin film to be created, and in the second step, the substrate is heated at a second temperature higher than the first temperature. While performing reflow while heating, in the first step, the sputtered particles of aluminum or aluminum alloy released from the target are ionized, and the ionized sputtered particles are accelerated by an electric field perpendicular to the substrate to be perpendicular to the substrate. A high-temperature reflow sputtering method, wherein a large amount of light is incident.
前記第一の温度は常温から150℃以下の範囲の温度であることを特徴とする請求項1記載の高温リフロースパッタリング方法。  The high-temperature reflow sputtering method according to claim 1, wherein the first temperature is a temperature in a range from room temperature to 150 ° C. or less. 微細なホールが形成された基板の表面にスパッタリングによって金属材料の薄膜を作成し、基板を加熱して薄膜をリフローさせてホール内に金属材料を埋め込んでホールを平坦化する高温リフロースパッタリング装置であって、
排気系を備えたスパッタチャンバーと、スパッタチャンバー内に被スパッタ面を露出させるようにして設けられたターゲットと、ターゲットをスパッタするためのスパッタ電源と、スパッタによってターゲットから放出されたスパッタ粒子が到達するスパッタチャンバー内の所定位置に基板を配置するための基板ホルダーと、前記所定位置に配置された基板を加熱するヒータとを備えており、
前記基板ホルダーは、基板配置面に凹部が形成されているとともにその凹部に昇圧用ガスを導入する昇圧用ガス導入系と、前記基板ホルダーに前記基板を静電気によって吸着する静電吸着機構とを備えており、
前記ヒータは、ホールの側面及び底面に前記金属材料のベース薄膜を作成する第一の工程ではベース薄膜の途切れが防止される低い第一の温度で基板を加熱し、第一の工程の後の第二の工程では、第一の温度より高い第二の温度で基板を加熱してさらに堆積する金属材料の薄膜をホール内にリフローさせるものであり、
さらに、前記スパッタ粒子をイオン化させるイオン化手段と、基板に対して垂直な電界を設定して前記イオン化させたスパッタ粒子を加速して基板に垂直に入射させる電界設定手段とが設けられており、前記第一の工程において前記ベース薄膜をイオン化スパッタによって作成することが可能となっており、
前記静電吸着機構及び前記昇圧用ガス導入系は前記第一の工程では動作せず前記第二の工程ではともに動作するものであることを特徴とする高温リフロースパッタリング装置。
This is a high-temperature reflow sputtering system that creates a thin film of metal material by sputtering on the surface of a substrate on which fine holes are formed, heats the substrate, reflows the thin film, embeds the metal material in the holes, and flattens the holes. And
Sputtering chamber equipped with an exhaust system, a target provided to expose the surface to be sputtered in the sputtering chamber, a sputtering power source for sputtering the target, and sputtered particles released from the target by sputtering reach A substrate holder for placing the substrate at a predetermined position in the sputtering chamber, and a heater for heating the substrate placed at the predetermined position;
The substrate holder includes a pressurization gas introduction system for introducing a pressurization gas into the recess, and an electrostatic adsorption mechanism for adsorbing the substrate to the substrate holder by static electricity. And
The heater heats the substrate at a low first temperature at which the base thin film is prevented from being interrupted in the first step of forming the base thin film of the metal material on the side and bottom surfaces of the hole, and after the first step In the second step, the substrate is heated at a second temperature higher than the first temperature to further reflow the metal material thin film to be deposited in the hole,
Further, ionizing means for ionizing the sputtered particles, and electric field setting means for setting the electric field perpendicular to the substrate and accelerating the ionized sputtered particles to enter the substrate vertically are provided, In the first step, it is possible to create the base thin film by ionization sputtering,
The high-temperature reflow sputtering apparatus, wherein the electrostatic adsorption mechanism and the pressurizing gas introduction system do not operate in the first step but operate in the second step.
前記静電吸着機構は、前記第二の工程において、昇圧用ガス導入手段よりも先に動作するものであることを特徴とする請求項3記載の高温リフロースパッタリング装置。  4. The high-temperature reflow sputtering apparatus according to claim 3, wherein the electrostatic adsorption mechanism operates in the second step prior to the pressurizing gas introduction unit. 前記ターゲットはアルミニウム又はアルミニウム合金製であり、前記第一の温度は常温から150℃以下であることを特徴とする請求項3又は4記載の高温リフロースパッタリング装置。  5. The high-temperature reflow sputtering apparatus according to claim 3, wherein the target is made of aluminum or an aluminum alloy, and the first temperature is from room temperature to 150 ° C. or less. 前記第二の工程における前記第二の温度は、300℃以上450℃以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の高温リフロースパッタリング方法。3. The high-temperature reflow sputtering method according to claim 1 , wherein the second temperature in the second step is 300 ° C. or higher and 450 ° C. or lower .
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