JP4503194B2

JP4503194B2 - 気相堆積装置及び方法

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Publication number: JP4503194B2
Application number: JP2001040494A
Authority: JP
Inventors: 耕二原
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2001-02-16
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2021-02-16
Also published as: JP2002252175A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気相堆積装置及び方法に関し、詳しくは、基体上に金属叉は金属を含む物質を物理的気相堆積法によって堆積させる気相堆積装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、メモリ素子、論理素子等の半導体装置を製造する際の配線形成方法としては、半導体ウェハ等の基体上に設けられた各素子間の導電経路となるトレンチ、コンタクトホール、スルーホール、ヴィアホール、等の凹部に、バリア層を成膜した後、例えばＣｕ、Ａｌ等を含むの金属膜を形成する方法が広く用いられている。このような金属膜は、一般に、金属ターゲットを用いたスパッタ法等の物理的気相堆積（ＰＶＤ）法、有機金属ソースを原料とする化学的気相堆積（ＣＶＤ）法等によって形成される。これらの方法のうち、ＰＶＤ法は、成膜された膜の純度に優れ、装置構成が簡略であること、半導体ウェハへの熱履歴等の観点から比較的有利である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、超ＬＳＩといった半導体素子の更なる高集積化に伴い、電極配線層等の微細化及び多層化が益々進む傾向にある。このような素子が形成される基体においては、上記凹部のアスペクト比がこれまで以上に高くなり、また、多層化に伴って段差のない理想的な多層電極配線構造が要求されるようになってきた。これに対し、従来のＰＶＤ法により、アスペクト比の高い凹部に金属を堆積させる場合には、凹部の開口部にオーバーハングが生じ易い傾向にあり、その結果、凹部の底壁や特に内側壁のカバレッジが十分ではなくなり、所望の電気特性を有する素子が得られ難いことがあった。
【０００４】
また、このような不都合を解消すべく、基体が収容されるチャンバ内の圧力を極力低下させ、更に金属ターゲットと基体との幾何学的な配置を工夫することにより、金属イオン等のスパッタリング粒子の直進性を高め、凹部の内空間に金属イオン等を導入し易くする方法が考えられる。しかし、凹部のアルペクト比や形状によっては、この方法でも十分なカバレッジが得られないおそれがある。
【０００５】
さらに、金属膜の下地層として、バリア層上にＣＶＤ法によって同種金属の極薄膜から成るシード層を形成し、この上にＰＶＤ法によって金属膜を形成する方法も考えられる。ただし、この方法では、シード層により濡れ性が改善されて凹部の埋め込み性が向上され得るものの、工程が複雑となり、場合によってはシード層自体の膜特性を改善するために成膜後の熱処理工程等が更に必要となることがある。
【０００６】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、基体上に設けられた高アスペクト比を有する凹部に金属を堆積させる際に、工程数の増大や工程の複雑化を招くことなく、その凹部のカバレッジ及び埋め込み性を十分に改善できる気相堆積装置及び方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明による気相堆積装置は、（１）基体が収容されるチャンバと、（２）このチャンバ内に設けられ基体を保持する保持部と、（３）チャンバ内に保持部に対向して設けられ且つ金属叉はその金属を含む物質を含むターゲットとを備えており、基体上に金属をＰＶＤ法によって堆積させるものであって、（４）チャンバ内における保持部とターゲットとの間の空間に設けられた複数の電極を備えることを特徴とする。
【０００８】
このように構成された気相堆積装置においては、ＰＶＤ法によって基体上に金属膜叉は金属を含む膜が形成される。例えば、基体が収容されたチャンバ内が所定の真空度となるように排気した状態でプロセスガスを供給してその真空度を維持し、ターゲットに電圧を印加すると、チャンバ内にグロー放電が生じてプラズマが形成される。プロセスガスはこれにより解離してイオン種を生じ、このイオン種がターゲットに衝突してターゲットを構成する金属等がスパッタされる。スパッタリング粒子としての金属イオン種、金属原子等の活性種は、保持部上に載置された基体上に向かって移動し、基体上に達して堆積し、やがて金属膜が形成される。なお、本発明において「活性種」とは、イオン性活性種、ラジカル等の励起種、及び中性活性種を含むものを示す。
【０００９】
このとき、保持部とターゲットとの間の空間に設けられた複数の電極に、例えば所定の極性及び電圧値の電圧が印加されると、電極間に電界が形成される。ターゲットから基体に向かって移動する活性種のうち、イオン等の電荷を有するものは、この電界中を通過する際に、電界強度とイオンの電荷及び運動量叉はエネルギーとに応じて、進路が偏向される。これにより、基体上にヴィアホール等の凹部が設けられている場合に、イオン性活性種等は、その凹部の深さ方向に真っ直ぐに入射せず、例えば斜め方向に入射し得る。よって、イオン性活性種が凹部の内側壁に十分に到達するように入射し易くなる。
【００１０】
また、複数の電極に印加される電圧の極性叉は電圧値の大小が、所定の時間間隔叉は周期で交互に変化すれば、保持部とターゲットとの間に交番電界が発生し得る。こうすれば、ターゲットからのイオン性活性種が、一方向に偏進せずに、言わば蛇行するように基体に向かって移動する。よって、活性種の全体としての直進性を維持しつつ、イオン性活性種を凹部内へ斜め方向に入射させ易くなる。
【００１１】
より具体的には、複数の電極に接続されており、これらの複数の電極のうち少なくともいずれか一つの電極に第１の電圧が印加されるように、且つ、他の電極にその第１の電圧と異なる第２の電圧が印加されるように、これらの複数の電極への電圧の印加を制御する制御部を更に備えると好ましい。
【００１２】
このように構成すれば、制御部によって第１の電圧が印加された電極と、同第２の電圧が印加された電極との間に、両電圧値の差異（電位差）に応じた強度の電界が生起される。よって、これらの電圧値を適宜調節することにより、チャンバ内のターゲットと基体との位置関係、基体上に設けられた凹部の形状、他のプロセス条件等に応じて、ターゲットからのイオン性活性種の進行方向を所望に且つ簡易に偏向させ得る。このとき、第１及び第２の電圧の極性は同じでも異なっていてもよく、電極の数量及びそれらの形状、配置状態等は特に限定されない。また、制御部が、各電極への電圧の印加を独立に制御するものであるとより好ましい。
【００１３】
さらに、制御部が、第１及び第２の電圧が複数の電極に対して周期的に変化するように、具体的には、第１の電圧及び第２の電圧の極性叉は電圧値の大小が、所定の時間間隔叉は所定周期で変化するように、それらの複数の電極への電圧の印加を制御するものであると好適である。
【００１４】
例えば、複数の電極のうち一つ叉は一部の電極に第１の電圧を印加し、他の電極に第２の電圧を印加し、これらを交互に切り替えるようにすれば、保持部とターゲットとの間で且つ電極間つまり基体の上方に交番電界が生じ得る。これにより、上述したような、イオン性活性種が蛇行するように移動する進行状態が確実に発現され得る。
【００１５】
或いは、まず、複数の電極を基体の周囲に並設してこれらの電極を略環状に配置し、ある一つの叉は一部の電極に第１の電圧を印加し、他の電極には第２の電圧を印加する。次いで、所定時間経過した後に、第１の電圧が印加されていた電極に第２の電圧を印加すると同時叉は略同時に、隣設された電極に第１の電圧を印加する。このような操作を、環状配置された複数の電極に対して順次繰り返すことにより、一定の周期で電場の方向が変化する電界が、保持部上の基体の上方に生じ得る。この場合には、ターゲットからのイオン性活性種が、略螺旋状に運動しながら基体上に供給される。
【００１６】
またさらに、複数の電極は、これらの複数の電極間に最大強度が１〜１０ｋＶ／ｍの範囲内の値となる電界が形成されるように設けられたものであると一層好ましい。この電界の最大強度が上記下限値未満であると、凹部の形状やプロセス条件等に依るものの、イオン性活性種の進路が十分に偏向され難い傾向にあり、基体上の凹部への入射性が改善され難くなる。一方、電界の最大強度が上記上限値を超えると、イオン性活性種が過度に偏向され、凹部への入射角が不都合な程に過大となる傾向にある。
【００１７】
さらにまた、複数の電極は、パルス状の直流電圧が印加されるものであると更に好適である。こうすると、電極間に形成される電界が交番電界の場合、その電界の方向が瞬時に叉は俊敏に切り替わり、その結果、イオン性活性種の運動方向等を所望に制御し易くなる。また、電界方向が周期的に変化する動的な電界の場合にも、その電界方向の切り替わりが円滑且つ鋭敏となって、活性種の螺旋状運動が確実に達成され易い利点がある。
【００１８】
また、本発明による気相堆積方法は、本発明の気相堆積装置を用いて有効に実施される方法であって、基体上に、金属を含むターゲットからその金属叉はその金属を含む物質の活性種を供給してその金属叉はその金属を含む物質を堆積せしめる方法であって、活性種を基体上へ供給する際に、基体とターゲットとの間に、そのターゲットからその基体へ向かう方向と交差する方向に電界を形成させることを特徴とする。なお、電界を形成させるのは、活性種を基体上へ供給している期間のうち、全期間叉は少なくとも一部の期間実施すればよく、一部の期間で実施するときは、活性種を基体上に供給する初期に実行すると好ましい。
【００１９】
一般に、ＰＶＤ法による堆積や成膜では、ターゲットと基体との間に電界が形成され、これにより、ターゲットから出射された金属イオン、金属原子等の活性種が、ターゲットから基体へ向かう方向、つまり両者を結ぶ仮想的な垂線方向に沿って直進する傾向にある。また、基体上の凹部の深さ方向は、この垂線方向と一致するようにされている場合が多い。よって、この方向と交差する方向に電界を形成させれば、先述したように、イオン性活性種の基体上への入射角を適宜偏向させることが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限られるものではない。
【００２１】
図１は、本発明による気相堆積装置の好適な一実施形態を模式的に示す構成図（一部断面図）である。気相堆積装置１は、基体としての半導体ウェハＷが収容されるチャンバ１０内に、半導体ウェハＷを保持するサセプタ１５（保持部）と、このサセプタ１５に対向する位置にスパッタターゲット１３（ターゲット）が配置されたものである。このチャンバ１０は、筐体１１の上端部に、マグネット１２に固定された上記のスパッタターゲット１３がインシュレータ１４を介して結合されて成るものである。また、スパッタターゲット１３は、接地された直流電源Ｄに接続されている一方、サセプタ１５は、上下駆動可能な支持機構１５ａを介して、接地されたバイアス用の高周波電源Ｒに接続されている。
【００２２】
さらに、サセプタ１５の周囲には、半導体ウェハＷを固定するためのクランプ１６が設置されており、更にその周囲にはシールド１７が設けられている。このシールド１７は、高周波電源Ｒ及び直流電源Ｄの接地電位と同電位に接地されている。これらのスパッタターゲット１３、サセプタ１５、シールド１７等によりチャンバ１０内部に反応室１０ａが画成されている。
【００２３】
またさらに、サセプタ１５にはヒーター２が内臓されており、これにより、サセプタ１５上に載置された半導体ウェハＷが加熱されるようになっている。このヒーター２は図示しない電源に接続されており、サセプタ１５の内部には、半導体ウェハＷの温度を測定する温度センサ（図示せず）が設けられている。さらにまた、チャンバ１０には、配管５１を介してプロセスガス供給系５が接続されており、配管６１を介して真空ポンプ（図示せず）等を有する排気系６接続されている。この排気系６によりチャンバ１０内が減圧されて、反応室１０ａ内が所定の減圧雰囲気（真空度）とされ、プロセスガス供給系５からＡｒガス等のプロセスガスがチャンバ１０内に供給される。
【００２４】
また、スパッタターゲット１３とサセプタ１５との間で且つクランプ１６の上方には、電極対３を構成する平板状を成す二つの電極３ａ，３ｂが設けられている。ここで、図２は、図１におけるII−II線断面を示す断面図（一部省略）であり、半導体ウェハＷと電極対３との配置関係を示す図である。図示の如く、電極３ａ，３ｂは略平行に対向設置されている。なお、電極３ａ，３ｂの構成材料は特に制限されるものではないが、スパッタターゲット１３材と同じ材質のものを用いると好ましい。こうすれば、電極３ａ，３ｂがイオン性活性種との衝突によってスパッタされても、半導体ウェハＷａが別種の物質で汚染されることを防止できる。
【００２５】
さらに、図１に戻り、気相堆積装置１は、電極３ａ，３ｂが接続された電源制御部４（制御部）を有している。この電源制御部４は、パルス状の直流電圧を出力する直流電源４１と、これに接続されており、直流電源４１から出力される電圧の極性、出力値（パルス高）、パルス幅、パルス間隔、出力時刻、出力タイミング等を調節するコンピュータ装置４２とを有している。また、コンピュータ装置４２は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算部と、この演算部に接続された入力部を備えている（共に図示せず）。
【００２６】
このように構成された気相堆積装置１を用いた本発明による気相堆積方法の一例について、図１〜図５を参照して以下に説明する。図３（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明による気相堆積方法の好適な一実施形態によって半導体ウェハＷａ（基体）上に金属配線層を形成している状態を示す工程図である。半導体ウェハＷａは、基層１００上に、トレンチやホール等の凹部Ｈが形成された単層叉は多層のＳｉＯ₂等から成る絶縁層１０１が設けられ、更に凹部Ｈ及び絶縁層１０１上にバリア層１０２が形成されたものである。
【００２７】
この基層１００としては、ケイ素（Ｓｉ）から成る層、叉は、多層配線の場合にはＣｕ、Ａｌ、Ｗ等の金属膜から成る層、等が挙げられる。また、バリア層１０２としては、Ｔａ／ＴａＮ、Ｔｉ／ＴｉＮ、ＷＮ等から成る層が挙げられる。なお、半導体ウェハＷａは、予め脱ガスが施され、且つ、オリエーションフラットの調整が行われ、更に表面に形成された自然酸化膜等の不要な膜が取り除かれたものにバリア層１０２が形成されたものである。また、本実施形態においては、スパッタターゲット１３として、主としてＣｕ、Ａｌ、Ｗ、叉は、それらの金属のうち一種を含む合金から成るものを使用する。
【００２８】
まず、図２（Ａ）に示す半導体ウェハＷａを、図１に示すチャンバ１０内のサセプタ１５上の所定位置に載置し、クランプ１６により固定する。次いで、排気系６を運転してチャンバ１０内を排気して所定の圧力（真空度）とした後、プロセスガス供給系５から例えばＡｒガスをチャンバ１０内に供給する。また、ヒーター２を運転して半導体ウェハＷａを所定の温度に加熱する。
【００２９】
半導体ウェハＷａの温度を温度センサーで監視し、所定の温度となった状態で、スパッタターゲット１３に所定の直流電圧を印加して例えば正の所定電位とする。これにより、Ａｒガスがグロー放電によって解離され、反応室１０ａ内にプラズマが形成される。その結果、プラズマ中のＡｒイオン、Ａｒ原子等によってスパッタターゲット１３を構成する金属叉は金属を含む物質がスパッタされる。このとき、半導体ウェハＷａ及びサセプタ１５は、プラズマシースに対して負に帯電され、さらに、サセプタ１５にバイアス用の高周波電力を印加することにより、スパッタリング粒子としての活性種が半導体ウェハＷａに向かって移動する。
【００３０】
このとき、電極３ａ，３ｂに対して電源制御部４から、それぞれ図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すパルス状の直流電圧を印加する。図４（Ａ）及び（Ｂ）は、電源制御部４からそれぞれ電極３ａ，３ｂへ出力される電圧の状態を示すタイミングチャートである。図示の如く、電源制御部４からの出力電圧は、パルス状の直流電圧であり、略矩形のパルス波形を有するものである。図示の場合、電源制御部４から、任意の時刻ｔ０において、電極３ａ，３ｂに、それぞれ所定の大きさの正電圧（第１の電圧）及び負電圧（第２の電圧）を印加し、次いで、時刻ｔ１〜ｔ１０の各時刻において、電極３ａ，３ｂにそれぞれ印加する電圧の極性を順次交互に切り換える。
【００３１】
すなわち、電源制御部４により、各電極３ａ，３ｂへのパルス状直流電圧を独立に印加し、且つ、両電極３ａ，３ｂ間に、時間の経過と共に電場の方向が交互に切り換わる（換言すれば、所定の時間間隔叉は周期で電場が変化する）ような電界が生ずるように制御する。つまり、電極３ａ，３ｂは、交番電極として機能し、両者の最大電位差に応当する最大強度を有し、且つ、スパッタターゲットから半導体ウェハＷａへ向かう方向と略直交する交番電界が、両電極３ａ，３ｂ間に生起される。なお、図４（Ａ）及び（Ｂ）においては、図示の都合上、時刻ｔ１０まで描画したが、このようなパルス状電圧の印加を適宜の時間継続する。
【００３２】
ここで、図５は、チャンバ１０内にプラズマを形成させながら電極３ａ，３ｂに上記のパルス状直流電圧を印加している状態における図２のＶ−Ｖ線断面を摸式的に示す平面図である。上述したように、スパッタターゲット１３への直流電圧の印加により、その下方にはプラズマＰが形成され、生じたスパッタリング粒子としての活性種が半導体ウェハＷａに向かって移動する。この活性種のうちイオン性活性種等の電荷を有するものは、電極３ａ，３ｂ間に生起された交番電界によって進路が周期的に偏向され、例えば、図示矢印Ｅ１として模式的に示す如く、蛇行するように運動方向を変化させながら半導体ウェハＷａ上に供給される。
【００３３】
このように進むイオン性活性種を含むスパッタリング粒子は、バリア層１０２上に堆積していき、金属膜が成膜される。こうして、金属膜から成るシード層１０３が形成された半導体ウェハＷｂを得る（図３（Ｂ）参照）。この際、イオン性活性種の一部は、電極３ａ，３ｂ間に生じる交番電界により、例えば図３（Ｂ）に矢印Ｅ１で示す方向に凹部Ｈの内部へ入射する。これにより、凹部の開口部近傍にオーバーハングを生ずることが十分に抑止されるとともに、凹部Ｈの内側壁が十分に金属膜で覆われる。
【００３４】
なお、反応室１０ａ内には、プラズマによるＡｒガスの解離、及び、スパッタターゲット１３のスパッタによって電子が生ずるが、この電子は、プラズマの維持に供されると共に、陽極等の正電位に帯電した部位に速やかに到達する。これにより、半導体ウェハＷａがチャージアップするといった不都合が防止される。
【００３５】
また、このシード層１０３を形成する工程における好適な成膜条件としては、例えば以下の条件が挙げられる。
〈シード層１０３の形成工程における成膜条件〉
・チャンバ内圧力：バリア層１０２上に堆積させる金属叉は金属を含む物質の種類等によって異なるものの、好ましくは数ｍＴｏｒｒ以下
・成膜温度：−５０〜５００℃
・プロセスガス：Ａｒ、流量０〜３００ｍｌ／分（sccm）
・スパッタターゲット１３への印加電圧：−１００〜−１０００Ｖ
・シード層厚：２０〜５０００Å
・電極３ａ，３ｂ間に生じる電界の最大強度：１〜１０ｋＶ／ｍ
【００３６】
ここで、この電界の最大強度が、１ｋＶ／ｍ未満であると、他の成膜条件、チャンバ１０の形状等によって程度は異なるものの、イオン性活性種の進路が十分に偏向されない傾向にある。こうなると、金属イオン種等を凹部Ｈ内の特に内側壁に向けて入射させ難くなり、凹部Ｈをシード層１０３で十分に被覆することが困難となる。一方、電界の最大強度が１０ｋＶ／ｍを超えると、イオン性活性種の進路が過度に偏向されてしまう傾向にある。こうなると、凹部Ｈへのイオン性活性種の凹部Ｈの深さ方向（一般に鉛直方向）からのずれが過大となってしまい、凹部Ｈの底部近傍の内側壁上にイオン性活性種が到達し難くなる。こうなると、場合によっては、オーバーハングが生じ易くなるおそれがある。
【００３７】
次に、電源制御部４からの電極３ａ，３ｂへのパルス状直流電圧の印加を停止し、シード層１０３が形成された半導体ウェハＷｂへ更にターゲット金属をスパッタする。半導体ウェハＷｂに達した金属の活性種は、シード層１０３上に堆積するとともに、シード層１０３が同種の金属膜であるため濡れ性が高められ、凹部Ｈの開口部叉はその周辺部に堆積した金属がその内部に移動し易くなる。こうして、凹部Ｈが、金属で十分に埋め込まれて成る金属配線層１０４が形成された半導体ウェハＷｃを得る。
【００３８】
ここで、金属配線層１０４を形成する工程における好適な成膜条件としては、例えば以下の条件が挙げられる。
〈金属配線層１０４の形成工程における成膜条件〉
・チャンバ内圧力：好ましくは数ｍＴｏｒｒ以下
・成膜温度：０〜７００℃
・プロセスガス：Ａｒ、流量０〜３００ｍｌ／分（sccm）
・スパッタターゲット１３への印加電圧：−１００〜−１０００Ｖ
【００３９】
このように構成された気相堆積装置１及びそれを用いた本発明の気相堆積方法によれば、電極３ａ，３ｂ間に電圧値の異なるパルス状の直流電圧を印加し、それらの極性及び電圧値を周期的に変化させることにより、スパッタターゲット１３と半導体ウェハＷａとの間で、且つ、電極３ａ，３ｂ間に交番電界を生ぜしめる。これにより、スパッタターゲット１３からスパッタされた金属のイオン性活性種等のスパッタリング粒子の進路を周期的に偏向させることができ、半導体ウェハＷａに設けられた凹部Ｈの内部へイオン性活性種等が十分に到達する。
【００４０】
よって、凹部Ｈの内部を金属膜から成るシード層１０３で十分に覆うことができるので、凹部Ｈのアスペクト比が高い場合でも、金属配線層１０４を形成する際に、オーバーハングの発生を十分に抑止でき、凹部Ｈのカバレッジ及び埋め込み性を十分に改善できる。しかも、ＣＶＤ法等の他の方法等を組合わせる必要がないので、工程数の増大や工程の複雑化を防止できる。また、電界を交番電界とするので、イオン性活性種を、一方向に偏ることなく、言わば蛇行するように進ませることができる。よって、活性種の全体としての直進性を維持でき、半導体ウェハＷａ上へ活性種を十分に供給できる。
【００４１】
さらに、電極３ａ，３ｂ間の電界の最大強度を１〜１０ｋＶ／ｍとするので、金属イオン種等の進路を凹部Ｈ内の特に内側壁に向けて確実に入射させ易くなり、オーバーハングの発生を一層抑制し、カバレッジ及び埋め込み性を更に向上できる。またさらに、電極３ａ，３ｂに印加する電圧の電位差、パルス幅、交番周期（図３に示す時刻ｔ０〜ｔ１０の各時刻の間隔）等を調節するだけで、イオン性活性種の偏向度合を調整し得るので、凹部Ｈの形状及びアスペクト比、シード層１０３の成膜条件、チャンバ１０の形状等の諸条件に応じて、凹部Ｈのカバレッジや埋め込み性を極めて平易に最適化することできる。
【００４２】
またさらに、電極３ａ，３ｂに対して、パルス状の直流電圧を印加するので、電極３ａ，３ｂ間に形成される交番電界の電場方向を瞬時に叉は俊敏に切り替えることができる。その結果、イオン性活性種の運動方向や運動量の制御を一層実施し易くなる。したがって、イオン性活性種の偏向度を所望の程度に調整することが平易となるので、半導体ウェハＷａ上の凹部への入射方向をより確実に制御でき、これにより、凹部Ｈのカバレッジ及び埋め込み性を更に一層改善できる。
【００４３】
次に、図６は、本発明による気相堆積装置の他の実施形態の要部を示す平面図（一部断面図）である。本実施形態の気相堆積装置は、電極対３の代りに、４つの電極７ａ〜７ｄから構成される電極部７を有すること以外は、図１に示す気相堆積装置１と同様に構成されたものである。これらの各電極７ａ〜７ｄは、平板状を成しており、半導体ウェハＷの周囲上方に環状に配置されている。すなわち、図示の如く、電極７ａ，７ｃが対向し、且つ、電極７ｂ，７ｄが対向するように設けられている。また、各電極７ａ〜７ｄは、図１に示す電源制御部４にそれぞれ接続されている。
【００４４】
このような電極部７を備える気相堆積装置を用いた本発明の気相堆積方法の一例について説明する。この場合にも、図３に示す半導体ウェハＷａを用い、バリア層１０２上にシード層１０３を形成し、その上に金属配線層１０４を形成させる手順は前述したのと同様であり、シード層１０３を成膜する際の電極部７への電圧印加方法が前出の方法と異なる。図７（Ａ）〜（Ｄ）は、電源制御部４からそれぞれ電極７ａ〜７ｄへ出力される電圧の状態を示すタイミングチャートである。
【００４５】
図示の如く、電源制御部４からの出力電圧は、パルス状の直流電圧であり、略矩形のパルス波形を有するものである。まず、電源制御部４から、時刻ｔ０において、電極７ａに、所定の大きさの正電圧（第１の電圧）を印加し、他の電極７ｂ〜７ｄに所定の負電圧（第２の電圧）を印加する。次いで、時刻ｔ１において、電極７ｂに正電圧（第１の電圧）を、他の電極７ａ，７ｃ，７ｄに負電圧（第２の電圧）を印加する。さらに、時刻ｔ２以降、同様にして正電圧及び負電圧の印加を切り換え、言わば、正電位が時間の経過と共に半導体ウェハＷ，Ｗａに対して周回するように制御する。
【００４６】
これにより、半導体ウェハＷａの上方には、スパッタターゲット１３から半導体ウェハＷａへ向かう方向と略直交し且つ一定周期で電場の方向が回転変化するような電界が生じる。ここで、図８は、電極部７の内方に生じたこのような電界中をイオン性活性種が進む状態を模式的に示す斜視図である。図示の如く、スパッタターゲット１３（図１参照）から放出されたスパッタリング粒子としての活性種のうち電荷を有するイオン性活性種等は、その進路が略螺旋状となるように運動方向が変化する。よって、半導体ウェハＷａに設けられた凹部Ｈ（図３参照）が、四方を内側壁で囲まれているような場合でも、各内側壁上にイオン性活性種を十分に到達させて堆積させ易くなる。したがって、このような凹部Ｈのアルペクト比が高いときにも、金属配線層１０４による凹部Ｈのカバレッジ及び埋め込み性を格段に向上できる。
【００４７】
また、図６に示す本形態においても、電極部７の内方に生ずる電界の最大強度を１〜１０ｋＶ／ｍとすれば、イオン性活性種の進路を凹部Ｈの内側壁に向けて確実に入射させ易くなり、凹部Ｈの開口部叉はその周辺部におけるオーバーハングの発生を一層抑制でき、凹部Ｈのカバレッジ及び埋め込み性を更に向上できる。さらに、電極７ａ〜７ｄへ印加する電圧がパルス状の直流電圧であるので、電場方向の切り替わえを円滑且つ鋭敏に行うことができる。よって、電場方向の回転を好適に実施でき、イオン性活性種の螺旋状運動を確実に発現させることが可能となる。
【００４８】
さらに、電場方向の回転周期は、電極７ａ〜７ｄに印加する電圧の電位差、正電圧及び／叉は負電圧のパルス幅、正電圧間の時間間隔（例えば、図７に示す時刻ｔ０とｔ４との時間幅）を調節することにより、簡易に制御可能である。よって、イオン性活性種の偏向の度合を平易に調整し得るので、凹部Ｈの形状及びアスペクト比、シード層１０３の成膜条件、チャンバ１０の形状等の諸条件に応じて、凹部Ｈのカバレッジや埋め込み性を最適化することが極めて容易となる。
【００４９】
なお、上述した各実施形態において、チャンバ１０内の反応室１０ａ内にコヒーレントプレート（Coherent Plate）を配置してもよい。また、電極対３及び電極部７への電圧印加は、シード層１０３の成膜中の全期間（時間）において必ずしも実施する必要はなく、その期間の一部で実施してもよく、少なくともその初期に行うと好ましい。さらに、電極対３及び電極部７をそれぞれ構成する各電極３ａ，３ｂ，７ａ〜７ｄに印加する直流電圧はパルス状でなくてもよく、或いは、矩形波ではないパルス波形を有するものでもよく、更には交流電圧でも構わない。
【００５０】
またさらに、電極７ａ〜７ｄへの電圧の印加は、図７に示すように電界が回転するような制御に限定されず、例えば、電極７ａ，７ｂに正電圧を印加し、この時に電極７ｃ，７ｄに負電圧を印加し、これらを交互に切り換えてもよい。この場合には、交番電界が生起される。また、４つの電極のうち、対向する２つの電極を用いて交番電極としても構わない。
【００５１】
さらに、まず、電極７ａに第１の電圧を印加すると共に対向する電極７ｃに第２の電圧を印加し、次に、電極７ａ，７ｃへの電圧印加を止め、且つ、電極７ａに隣接する電極７ｂに第１の電圧を印可すると共に対向する電極７ｄに第２の電圧を印加する。次いで、電極７ｂ，７ｄへの電圧印加を止め、且つ、電極７ｂに隣接する電極７ｃに第１の電圧を印加すると共に対向する電極７ａに第２の電圧を印加する。それから、電極７ｃ，７ａへの電圧印加を止め、且つ、電極７ｃに隣接する電極７ｄに第１の電圧を印加すると共に対向する電極７ｂに第２の電圧を印加する。このような操作を順次切り換えてもよい。これによっても、電場の方向が回転する電界が生成される。
【００５２】
加えて、シード層１０３の形成時のみならず、金属配線層１０４の形成時に電極対３叉は電極部７に電圧を印加してもよい。また、電極３ａ，３ｂ，７ａ〜７ｄに印加する電圧の極性は必ずしも変える必要はなく、電極間に電界が有意に生じ得る電位差が達成されればよい。例えば、図４及び図７に示すパルス状電圧の最低電圧（ベース電圧）を０（ゼロ）としてもよい。
【００５３】
さらにまた、電極数、配置状態は、図示のものに限定されない。図９は、本発明における更に他の電極配置を例示する平面図（一部断面図）である。同図において、電極部８は、半導体ウェハＷ，Ｗａの周囲上方に、環状に配置された板状の８つの電極８ａ〜８ｈから構成される。このような電極部８を用いれば、電場方向の回転をより円滑にできるとともに、回転周期の更なる微調整が可能となる。よって、電界中を進行するイオン性活性種の偏向を一層的確に制御し得る。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の気相堆積装置及び方法によれば、半導体ウェハ等の基体の保持部とスパッタターゲット等の金属を含むターゲットとの間に設けられた複数の電極に電圧を印加して電界を形成させることにより、スパッタリング粒子としての活性種の進路を所望に偏向させることができる。よって、基体上に設けられた高アスペクト比を有する凹部に金属を堆積させる際に、工程数の増大や工程の複雑化を招くことなく、その凹部のカバレッジ及び埋め込み性を十分に改善することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による気相堆積装置の好適な一実施形態を模式的に示す構成図（一部断面図）である。
【図２】図１におけるII−II線断面を示す断面図（一部省略）である。
【図３】図３（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明による気相堆積方法の好適な一実施形態によって半導体ウェハ上に金属配線層を形成している状態を示す工程図である。
【図４】図４（Ａ）及び（Ｂ）は、電源制御部から電極へ出力される電圧の状態を示すタイミングチャートである。
【図５】チャンバ内にプラズマを形成させながら電極にパルス状の直流電圧を印加している状態における図２のＶ−Ｖ線断面を摸式的に示す平面図である。
【図６】本発明による気相堆積装置の他の実施形態の要部を示す平面図（一部断面図）である。
【図７】図７（Ａ）〜（Ｄ）は、電源制御部から電極へ出力される電圧の状態を示すタイミングチャートである。
【図８】電極部の内方に生じた電界中をイオン性活性種が進む状態を模式的に示す斜視図である。
【図９】本発明における更に他の電極配置を例示する平面図（一部断面図）である。
【符号の説明】
１…気相堆積装置、３…電極対、４…電源制御部、３ａ，３ｂ，７ａ〜７ｄ，８ａ〜８ｈ…電極、７，８…電極部、１０…チャンバ、１３…スパッタターゲット（ターゲット）、１５…サセプタ（保持部）、１００…基層、１０２…バリア層、１０３…シード層、１０４…金属配線層、Ｈ…凹部、Ｗ，Ｗａ…半導体ウェハ（基体）。

Claims

基体が収容されるチャンバと、
該チャンバ内に設けられ該基体を保持する保持部と、
該チャンバ内に該保持部に対向して設けられ且つ金属を含むターゲットと、
を備えており、該基体上に前記金属叉は前記金属を含む物質を物理的気相堆積法によって堆積させる気相堆積装置であって、
前記チャンバ内における前記保持部と前記ターゲットとの間の空間において前記基体の周囲上方に環状に配置された４つ以上の複数の電極と、
前記複数の電極に接続された制御部であって、第１の電圧が印加される電極を、前記複数の電極のうち第１の電圧が印加されている電極から隣接する電極へと、時間の経過と共に切り替えるよう選択し、選択した該電極に前記第１の電圧が印加され、該複数の電極のうち選択した該電極に対向する電極に前記第１の電圧と異なる第２の電圧が印加されるよう、該複数の電極に印加される電圧を制御する、該制御部と、
を備えることを特徴とする気相堆積装置。
前記複数の電極は、該複数の電極間に最大強度が１〜１０ｋＶ／ｍの範囲内の値となる電界が形成されるように設けられたものである、ことを特徴とする請求項１に記載の気相堆積装置。
前記複数の電極は、パルス状の直流電圧が印加されるものである、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の気相堆積装置。
基体上に、金属を含むターゲットから該金属叉は該金属を含む物質の活性種を供給して該金属叉は該金属を含む物質を堆積せしめる気相堆積方法であって、
前記活性種を前記基体上へ供給する際に、前記基体と前記ターゲットとの間の空間において前記基体の周囲上方に環状に配置された４つ以上の複数の電極に印加する電圧を制御することを含み、
第１の電圧が印加される電極を、前記複数の電極のうち第１の電圧が印加されている電極から隣接する電極へと、時間の経過と共に切り替えるよう選択し、選択した該電極に前記第１の電圧が印加され、該複数の電極のうち選択した該電極に対向する電極に前記第１の電圧と異なる第２の電圧が印加されるよう、前記複数の電極に印加する電圧を制御する、
ことを特徴とする気相堆積方法。