JP4578598B2

JP4578598B2 - 成膜方法及びスパッタリング装置

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Publication number: JP4578598B2
Application number: JP30953999A
Authority: JP
Inventors: 優一和田
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2019-10-29
Also published as: JP2001131740A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、銅の薄膜を形成するための方法及び装置に関し、特に、下地膜となるＳｉＯ₂膜に形成されているホール（ビアホール）や溝（トレンチ）に銅を埋め込むための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスの高速・高性能化の要請から、デザインルールの微細化が急速に進んでいる。ところが、デザインルールの微細化に伴って配線遅延時間が増加する等の問題も顕在化してきた。この配線遅延時間は、素子間を接続する配線の抵抗と寄生容量から定まるため、現行のアルミニウム又はアルミニウム合金（Ａｌ系材料）を用いたＡｌ系配線では限界がある。このため、Ａｌ系材料に比べ低い電気抵抗を持ち且つエレクトロマイグレーション耐性に優れた銅が配線材料として注目され、また実際に採用されつつある。
【０００３】
銅配線のパターニング方法としては、現状では、トレンチやビアホール内に銅を埋込んだ後に化学機械研磨によって余分な銅を除去することにより配線やビアを形成する、いわゆるダマシン法が最も有効な方法である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ダマシン法での銅埋込みは一般的には電解メッキ法によっているが、スパッタリング法の適用も検討されている。しかし、スパッタリング法による銅の成膜については実用化には至っていないというのが現状である。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、スパッタリング法を用いての銅の成膜、特にホール等への埋込みを良好に行うための手段を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、まず本発明者らは、Ａｌ系材料に対して行うような一般的なスパッタリングプロセスを用いた場合を検討し、その結果、次のような問題が生ずると考えた。
【０００７】
銅をスパッタリングする場合、通常のスパッタリング法におけるステップカバレージ性能の制限からビアホール又はトレンチでは内部にボイドが形成されることは知られている。このため、スパッタリングプロセスの後、基板をスパッタリング処理チャンバから一旦外部の大気環境に搬出し、その後、高温熱処理チャンバに搬入し高温リフローする必要がある。また、リフローの前に基板が大気暴露され銅膜の表面に自然酸化膜が形成されることから、高温熱処理チャンバ内に水素ガスを導入し、酸化膜を還元しながらリフローを行うことが必要となる。
【０００８】
しかしながら、上述したようにスパッタリング後にリフローを行ったとしても、ビアホール等の内部にボイドが残留すると推定される。これは、銅が非常に酸化しやすく、大気暴露の際にボイドの内表面にも自然酸化膜が形成されてしまう一方、このようなほぼ閉じられたボイドの内表面に形成された酸化膜を水素で還元することは困難であるからである。
【０００９】
このような弊害に対しては、比較的ステップカバレージに優れたセルフスパッタリング法を用いるという手段や、マルチチャンバシステムを用いて大気暴露を避けるという手段があるが、それでもなお、本発明者はアスペクト比の高いホール等ではボイドが残留するであろうと予想している。その理由は、前者のセルフスパッタリング法であっても、完全な埋込みが行えるアスペクト比には限界があるからである。また、後者については、銅配線膜の下地膜としてＳｉＯ₂膜が用いられている場合、このＳｉＯ₂膜の表面に酸素が残留していることがあり、これがスパッタリングプロセスにおいて銅と反応して酸化銅を形成するであろうと考えたからである。しかも、銅ターゲットから飛翔する銅粒子がＳｉＯ₂膜に衝突した時に、スパッタリング現象により酸素がＳｉＯ₂膜から飛び出し、これが銅と反応することも考えられ得る。このような酸化銅は極めて微量ではあるが、銅膜とＳｉＯ₂膜との間の界面付近に形成されるため、溶融した銅をボイド等に流し込むことを困難とする要因となる。
【００１０】
本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであり、基本的には、真空処理チャンバに配置された銅製のターゲットからスパッタリングされた銅粒子を、この真空処理チャンバ内の基板支持手段により支持された基板上に堆積させ銅の膜を形成する成膜方法において、銅粒子の堆積中に水素ガスを真空処理チャンバに供給することを特徴としている。すなわち、スパッタリングされた銅粒子を基板上で再結晶化する際に生じ得る銅の酸化を、導入した水素ガスにより還元して防止しようとするものである。
【００１１】
本発明による成膜方法は、より具体的には、真空処理チャンバ内にスパッタリングを開始するためのプロセスガスを供給するステップと、真空処理チャンバ内に供給されたプロセスガスをプラズマ化し、当該プラズマ中に含まれる前記プロセスガスのイオンをターゲットに衝撃させて銅粒子をスパッタリングするステップと、ターゲットからスパッタリングされた銅粒子の一部をイオン化し、当該銅イオンをターゲットに衝撃させて銅粒子をスパッタリングするステップと、銅イオンのみによりスパッタリングを継続すべくプロセスガスの供給を停止するステップと、プロセスガスの供給を停止した後、銅イオンによるスパッタリングが行われている間、水素ガスを真空処理チャンバ内に供給するステップとを含むことを特徴としている。この成膜方法は、いわゆるセルフスパッタリング法を用いており、セルフスパッタリング状態に遷移した後に水素ガスを供給することとしている。これは、セルフスパッタリングを安定に継続するためである。
【００１２】
また、この方法は、ダマシンプロセスにおいて用いることが有効である。すなわち、銅粒子が堆積される下地膜がＳｉＯ₂膜であり、ホール又は溝（凹部を含む）が形成されている場合に、セルフスパッタリング法のステップカバレージ性能の高さと、酸化銅形成の防止効果とにより、高アスペクト比のホール等に対応可能となり、また、ボイドが形成されても後工程のリフローにおいて解消することができる。
【００１３】
なお、スパッタリング中に基板を加熱し、堆積された銅粒子を溶融しリフローを同時に行うこともできる。
【００１４】
以上の成膜方法は、本発明のスパッタリング装置により好適に行われる。このスパッタリング装置は、真空処理チャンバと、真空処理チャンバ内において基板を支持する基板支持手段と、基板支持手段によって支持される基板にエロージョン面が対面するように設けられた銅製のターゲットと、真空処理チャンバ内にプロセスガスを供給するプロセスガス供給手段と、真空処理チャンバを減圧する減圧手段と、真空処理チャンバ内でプラズマを生成するプラズマ生成手段と、ターゲットからスパッタリングされた銅粒子をイオン化するイオン化手段と、真空処理チャンバ内に水素ガスを供給する水素ガス供給手段とを備えている。また、基板支持手段は、基板を加熱するための加熱手段を備えていることが有効である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置１０を概略的に示している。図示のスパッタリング装置１０は、基板たる半導体ウェハＷ上に銅の薄膜を形成するためのものであり、内部に真空処理チャンバ１２を形成するハウジング１４と、ハウジング１４の上部開口部を閉じるように配置された銅製のターゲット１６を備えている。ハウジング１４は導電性材料から作られているので、ハウジング１４とターゲット１６との間には絶縁部材１３ａが挟まれている。ターゲット１６の形状は円盤形である。ターゲット１６の円形状の一表面１７は、スパッタリングによってエロージョンを受けるエロージョン面となっている。以下、この面１７を下面又はエロージョン面という。
【００１７】
真空処理チャンバ１２内には、基板支持手段としてのペディスタル１８が配置されている。ペディスタル１８は、その上面部分に静電チャック（図示しない）を備えており、そこに半導体ウェハＷが載置されると、当該ウェハＷを静電的に保持することができるようになっている。ペディスタル１８の上面１９は、ターゲット１６の下面１７に対面するように配置されている。また、ペデスタル１８の上面はターゲット１６の下面１７と平行となっている。従って、ペディスタル１８上の所定の位置に保持された半導体ウェハＷの上面はターゲット１６の下面１７に対して平行に配置される。更に、半導体ウェハＷは、その中心軸がターゲット１６の中心軸と一致するようにペディスタル１８の上面１９に載置、保持される。ターゲット１６の寸法、及びペディスタル１８とターゲット１６との間隔については、従来の標準的なスパッタリング装置と同様の値とすることができるが、ステップカバレージの改善のためには、いわゆる遠隔スパッタリング（long throw sputtering）を行うための寸法値とすることが好ましい。また、図示しないが、ペディスタル１８の内部には、半導体ウェハＷを加熱するための加熱手段としてヒータが内蔵されている。
【００１８】
スパッタリング装置１０は、被スパッタリング粒子である銅粒子から真空処理チャンバ１２の内壁面を保護するために、銅粒子が内壁面に到達するのを防止するシールド２０を有している。シールド２０の一辺の縁部はハウジング１４と絶縁部材１３ａとの間に挟まれ、シールド２０の一辺はハウジング１４の上部開口部の縁端において固定されている。シールド２０は、その一辺の縁部から延在して、別の辺はペディスタル１８の側面に至る。別辺の縁部はペディスタル１８の側面に沿って絶縁部材１３ｂを介して固定されている。このため、シールド２０は、ペディスタル１８と電気的に絶縁されている。
【００１９】
ハウジング１４には、減圧手段として、クライオポンプ等の真空ポンプ２２が接続される排気ポート２４が形成されている。従って、この真空ポンプ２２を作動させることによって、真空処理チャンバ１２内が減圧される。
【００２０】
また、スパッタリングを開始するためのプロセスガスとしてアルゴンガスが、供給ポート２６を通して、アルゴンガス供給源２８から真空処理チャンバ１２内に供給されるようになっている。供給ポート２６は、バルブ３０によって開閉可能である。このバルブ３０を開閉すると、アルゴンガスの供給量及び供給タイミングを制御できる。供給ポート２６、アルゴンガス供給源２８及びバルブ３０は、プロセスガス供給手段を構成するものである。
【００２１】
更に、後述の還元を行うための還元ガスとして水素ガスが水素ガス供給源３２から別の供給ポート３４を通して真空処理チャンバ１２内に供給されるよう構成されている。この供給ポート３４もバルブ３６によって開閉制御される。かかる供給ポート３４、水素ガス供給源３２及びバルブ３６は、水素ガス供給手段を構成するものである。
【００２２】
ターゲット１６とシールド２０とには、プラズマ生成手段として加速用電源３８の陰極及び陽極がそれぞれ接続されいる。真空処理チャンバ１２内にプロセスガスであるアルゴンガスを導入して、ターゲット１６とシールド２０との間に電圧を加えると、グロー放電が起こりプラズマ状態となる。この放電によって発生したアルゴンイオンがターゲット１６の下面１７に衝突すると、ターゲット１６を構成する銅粒子がはじき出される。この銅粒子が半導体ウェハＷ上に到達して堆積されると、ウェハＷ上に銅の薄膜が形成される。
【００２３】
ターゲット１６の下面１７とは反対の側、つまりターゲット１６の上方には、ターゲット１６の近傍のプラズマ密度を高めるためのマグネトロンユニット４０が配置されている。図２は、各マグネトロンユニット４０の配置位置を示すための上面図である。図２を参照すると、マグネトロンユニット４０は、円形のベースプレート４２と、ベースプレート４２上に所定の配列で固定された複数のマグネット４４（４４ｏ，４４ｉ）とを備えている。ベースプレート４２は、ターゲット１６の上方に配置され、その上面の中心には駆動用モータ４６の回転軸４８が接続されている。従って、駆動モータ４６を作動させてベースプレート４２を回転させると、各マグネット４４はターゲット１６の上面に沿って旋回して、マグネット４４によって発生される磁界が一カ所に静止されることを防止することができる。
【００２４】
図３は、１個のマグネット４４の部分を拡大したマグネトロンユニット４０の拡大図である。各マグネット４４は、図３に明示するように、強磁性体から成る平板状のヨーク部材５０と、ヨーク部材５０の各端部に固着された棒磁石５２，５４とから構成されている。２本の棒磁石５２，５４は同一方向に延び、マグネット４４の全体形状は略Ｕ字状となっている、また、一方の棒磁石５２の自由端はＮ極、他方の棒磁石５４の自由端はＳ極となっている。
【００２５】
各マグネット４４は、これらの自由端がそれぞれターゲット１６の上面と対面するようにターゲット１６の上方に配置されている。このようなマグネット４４は、ヨーク部材５０の背面をベースプレート４２に接触させた状態で適当な固定手段、例えばねじ５６等によってベースプレート４２に固定されている。かかる構成では、マグネット４４はベースプレート４２から取り外せるため、固定位置を自由に変更することが可能である。マグネット４４の配置は種々考えられるが、図示されている実施形態では、マグネット４４は図２に示されるように二重の環状配列に成っている。全環状マグネットは、内側環状マグネット４４ｉ群（添え字ｉは内側の環状配列を表す）及び外側環状マグネット４４ｏ群（添え字ｏは外側の環状配列を表す）からなる。各マグネット４４ｉ，４４ｏは、ターゲット１６の下面１７近傍の空間に磁界を形成することによって、当該空間に形成されるプロセスガスのプラズマを制御することができる。
【００２６】
再び、図１及び図２を参照すると、スパッタリング装置１０は、コイル６０を更に備える。コイル６０は、スパッタリング装置１０の真空処理チャンバ１２の外部に設けられ、またハウジング１４の外側面に沿って配置されている。図１及び図２に示された実施形態では、コイル６０は、２つの端部６０ａ，６０ｂを有する導線６０ｃがハウジング１４の側面の周りに複数回巻きまわされている。導線６０ｃの両端部６０ａ，６０ｂは、コイル用電源６２の陰極及び陽極にそれぞれ接続されている。
【００２７】
コイル６０は、所定の基準軸の周りに導線６０ｃが順次に巻き回されながら基準軸に沿って一方向に延びるよう配置されている。所定の基準軸は、ターゲット１６の下面１７と、ペディスタル１８によって支持される半導体ウェハＷの表面とを結ぶ軸の１つとして決定されることが好ましい。この基準軸は、ペディスタル１８の上面１９上に配置された半導体ウェハＷの中心点を通過することが好ましい。このような基準軸は、コイル６０がターゲット１６の下面１７、すなわちエロージョン面に垂直な磁場成分を真空処理チャンバ１２内に主に発生させることを目的とするので、エロージョン面１７に垂直方向であることが好ましい。このようなコイル６０は内側の中空部分に磁場を閉じ込めることができるので、ソレノイドコイル６０であることが好ましい。本実施形態に好適なソレノイドコイル６０は、ソレノイドコイル６０の下端から基準軸の周りにソレノイドコイル６０の上端に達するまで順次に導線６０ｃを巻き回して形成されている。断面が円形の中空領域を有し、この円筒形の領域に真空処理チャンバ１２が配置されている。本実施形態では、ソレノイドコイル６０は単一のコイルとして形成されているが、同一の基準軸の周りに巻き回された複数のコイルからなるコイル群（ソレノイドコイル群）として成形してもよい。
【００２８】
ソレノイドコイル６０又はソレノイドコイル群は、その上端の位置を含む平面がターゲット１６の下面１７と平行になるように、またその下端の位置を含む平面がペディスタル１８の上面１９、つまり半導体ウェハＷの表面に平行になるように配置されている。このように配置すると、ソレノイドコイル６０によって発生される磁場Ｈの基準軸の方向の成分（垂直成分Ｈｖ）の大きさを最大化することができる。
【００２９】
ソレノイドコイル６０の上端の位置及び下端の位置はコイル６０の長さを決定する。この長さは、ターゲット１６の下面１７とペディスタル１８の上面１９との間にある真空処理チャンバ１２内の空間（以下、セルフスパッタリング空間という）に形成される磁場Ｈの垂直成分Ｈｖの水平成分Ｈｈに対する比率を主に支配する。ソレノイドコイル６０を基準軸方向に相対的に長く形成すると、中空部分に磁場が閉じ込められるので、基準軸と平行な磁場成分を効率的に発生する。このため、ソレノイドコイル６０の両端部から離れたセルフスパッタリング空間内の各点においては、磁場Ｈの垂直成分Ｈｖを水平成分Ｈｈに比べて大きくできる。
【００３０】
コイル６０の胴径方向の巻き数はコイル６０の厚みを決定する。この巻き数は、セルフスパッタリング空間内の各点における磁場Ｈの強度を主に支配する。このため、磁場Ｈを強くすると、その強度に比例して垂直成分Ｈｖの大きさも強くなる。このため、セルフスパッタリング空間内の各点、特にターゲット１６の下面１７及びペディスタル１８の上面１９との間の中間領域において磁場Ｈの垂直成分Ｈｖを大きくするためには、ソレノイドコイル６０の胴径方向の巻き数を多くすることが好ましい。
【００３１】
このように形成されたソレノイドコイル６０は、加えられる電流方向に応じて、ターゲット１６の下面１７からペディスタル１８の上面１９に向かう方向、又はペディスタル１８の上面１９からターゲット１６の下面１７に向かう方向、つまり基準軸に沿った方向に磁場Ｈを発生する。この磁場Ｈは、セルフスパッタリング空間の多くの領域において、Ｈｖ＞＞Ｈｈ、すなわち垂直成分が水平成分に比べて十分に大きいという関係を満たすように発生されることが好ましい。
【００３２】
このようなスパッタリング装置１０では、マグネトロンユニット４０によってプロセスガスはターゲット１６の下面１７の近傍においてプラズマが制御され、これによってターゲット１６の下面１７から銅粒子が生成される。また、基準軸の周りに導線を巻き回して形成されたコイル６０を設けたので、ターゲット１６の下面１７に垂直方向の磁場成分が水平方向の磁場成分に比べて大きい磁場が真空処理チャンバ１２内においてエロージョン面１７の近傍とは異なる領域に発生される。スパッタリングされた粒子、すなわち銅粒子は、垂直成分が水平成分に比べて優勢な真空処理チャンバ１２内の領域において効率的にイオン化される。このため、イオン化手段たるコイル６０を用いて発生された磁場によってイオン化された銅粒子（銅原子）の一部は、ターゲット１６の下面１７に向けて加速され、ターゲット１６に衝撃すると別のスパッタリングされた銅粒子が生成される。このため、セルフスパッタリングが連続的に生じる。
【００３３】
なお、ペディスタル１８内の静電チャック、ヒータ、そしてソレノイドコイル５０用の電源５２、バルブ３０，３６、加速用電源３８及び駆動用モータ４６は、マイクロコンピュータ等からなる制御装置６４により、相互に関連して制御されるようになっている。
【００３４】
次に、いわゆるダマシンプロセスにおいてビアホールの埋込みを行うべく銅を成膜するために上記構成のスパッタリング装置１０を用いる場合について説明する。
【００３５】
被処理基板となる半導体ウェハＷは、図４の（ａ）に示すように、予め最下層としてＳｉＯ₂の絶縁膜１００が形成され、その上に銅による配線層１０２が形成され、更にその上にＳｉＯ₂からなる層間絶縁膜１０４が形成されている。この層間絶縁膜１０４には、所定の位置に、下層の配線層１０２まで届くビアホール１０６が形成されている。
【００３６】
ビアホール１０６はドライエッチング装置（図示しない）にて形成され、エッチングプロセスが終了した後の図４の（ａ）に示す状態の半導体ウェハＷは、マルチチャンバシステムにおいて大気暴露されることなく、本実施形態のスパッタリング装置１０の真空処理チャンバ１２内に搬入され、ペディスタル１８上に載置されて静電チャックにより固定される。
【００３７】
次いで、ペディスタル１８内のヒータに通電して、ペディスタル１８上の半導体ウェハＷを所定温度まで加熱する。そして、真空ポンプ２２を駆動して真空処理チャンバ１２内を所定圧力まで減圧すると共に、バルブ３６を開いて水素ガスを所定の流量で水素ガス供給源３２から供給ポート３４を通して真空処理チャンバ１２内に供給する。これにより、真空処理チャンバ１２内は水素雰囲気となり、層間酸化膜１０４の表面に残留している酸素、及び、銅の配線層１０２の表面に形成された酸化銅は水素と還元反応し、水蒸気となり、真空ポンプ２２によって排気、除去される。このプレクリーニングをより効果的に行うために、水素ガスをプラズマ化し、プラズマ中の水素イオンをペディスタル１８に向わせるよう、低エネルギの誘導結合プラズマソースを用いてもよい。
【００３８】
この後、セルフスパッタリングプロセスに移るべく、バルブ３６を閉じ、水素ガスの供給を停止する。なお、真空ポンプ２２はそのまま駆動を続け、また好ましくはヒータへの通電も停止せず、ペディスタル１８の加熱を維持しておく。
【００３９】
図５は、セルフスパッタリングプロセスにおける、バルブ３０，３６によって行われるアルゴン流量及び水素流量の制御、電源３８によって行われるターゲット１６とシールド２０との間の電圧の制御、コイル６０の磁場の制御を横軸に時間軸をとって示している。
【００４０】
図５を参照して説明すると、まず時刻ｔ₀において、電源３８からターゲット１６とシールド２０との間に電圧をを加える。時刻ｔ₁において、バルブ３０を開けて真空処理チャンバ１２内にアルゴンガスの供給を開始する。時刻ｔ₂において、グロー放電するために好適な真空度となるので、バルブ３０を固定する。このとき、図５には示さないが、マグネトロンユニット４０を動作させると、アルゴンのプラズマをターゲット１６の下面１７近傍に効率よく形成する。アルゴンプラズマの働きによって、ターゲット１６の下面１７からはスパッタリングされた銅粒子が発生される。この状態は、図６（ａ）に模式的に示されている。
【００４１】
この状態を更に詳細に説明すると、マグネトロンユニット４０が有する各マグネット３４（３４ｉ、３４ｏ）は、図２及び図３において破線を用いて示されるように、トロイダル磁場Ａを形成している。この環状の磁場Ａは、ターゲット１６の下面１７近傍においては、この面１７に平行な磁場の成分Ｈah（水平成分）が主要な成分である。この磁場成分Ｈahは、ターゲット１６の下面１７近傍にアルゴンの放電によって形成されるプラズマ密度を高めるように作用するため、この磁場成分Ｈahが大きい領域では、アルゴンによるスパッタリングが促進される。ところが、この磁場成分Ｈahは、被スパッタリング粒子Ｃｕに対してはイオン化、つまりプラズマ化を促進しない。
【００４２】
次いで、時刻ｔ₃から時刻ｔ₄にかけて、電源３８のパワーをＰ₁からＰ₂に上昇させる。このとき、アルゴンによるスパッタリングは維持されている。続いて、時刻ｔ₅においてソレノイドコイル６０への通電を開始して磁場Ｂを発生させ、時刻ｔ₆にかけて徐々に上昇させる。このような過程で、磁場Ｂがある程度の値になると、セルフスパッタリングが起こり出す。
【００４３】
磁場Ｂは、この空間において、ソレノイドコイル６０の軸方向に向く磁場成分（垂直成分）Ｈbvが主要な成分となっていが、この成分は、ターゲット１６の下面１７に対して垂直な磁場成分Ｈbvである。この磁場成分Ｈbvは、ターゲット１６の下面１７に対してほぼ垂直な速度成分を有する銅原子から電子が脱離させて銅原子のイオン化を促進する作用がある。このため、まず、アルゴンによってスパッタリングされた銅原子は、セルフスパッタリング空間を半導体ウェハＷに向かって進んでいく。この途中で、磁場Ｂの垂直成分Ｈbvの作用を受けて、銅原子は、ある割合でイオン化され銅イオンＣｕ＋を生成する。この銅イオンは、シールド２０からターゲット１６へ向かう電界と相互作用してクーロン力を受ける。このため、イオン化した時に持っていた運動エネルギがポテンシャルエネルギに比較して小さい原子は、ターゲット１６の下面１７の向きに運動方向を変える。そして、それぞれの銅イオンのポテンシャルエネルギに応じて加速されて、イオン化された時の運動エネルギ及びポテンシャルエネルギに応じた運動エネルギでターゲット１６に衝突する。この衝撃の際のエネルギがターゲット１６から別の原子をスパッタリングさせるために十分であるときは、銅イオンによるスパッタリングによって次の被スパッタリング原子が生成される。この銅原子は、その初速度に応じて、セルフスパッタリング空間を半導体ウェハＷに向かって進んでいく。
【００４４】
つまり、このとき、（１）アルゴンイオンのスパッタリングによる銅原子の生成、（２）生成された銅原子の磁場中の飛行、（３）この銅原子の垂直磁場成分によるイオン化、（４）銅イオンの電界による加速、（５）この銅イオンのターゲット１６への衝突、（６）セルフスパッタリングによる別の銅原子の生成、（７）生成された銅原子の磁場中の飛行、という順にプロセスが進行する。この状態は、図６の（ｂ）に模式的に示されているように、アルゴンイオンがターゲット１６に衝突して銅原子がスパッタリングされる場合と、銅イオンがターゲット１６に衝突して銅原子がスパッタリングされる場合とが共存している（遷移状態）。
【００４５】
一方、時刻ｔ₇からアルゴンガスの流量を減らしはじめて、時刻ｔ₈においてアルゴンガスの供給を停止する。時刻ｔ₆において、アルゴンガスの供給が完全に停止されると、セルフスパッタリングのみによって銅粒子（銅原子）は供給される。この状態は、図６の（ｃ）に模式的に示されている。この時刻ｔ₈からセルフスパッタリングは安定した状態で行われ、ターゲット１６からの粒子、すなわち銅原子と銅イオンの一部は半導体ウェハＷの表面に堆積され、図４の（ｂ）ら示すように銅薄膜１０８を形成する。セルフスパッタリング状態となると、アルゴンイオンがセルフスパッタリング空間に存在しない状態となるので、銅原子とアルゴンイオンとの衝突による散乱がなくなり、銅原子の多くはほぼ垂直に半導体ウェハＷに入射することとなる。これによりステップカバレージが向上されることになる。
【００４６】
また、時刻ｔ₈からは、バルブ３６を開放して水素ガスを極く僅かな所定流量で真空処理チャンバ１２内に供給する。水素ガスの供給は、時刻ｔ₇からの遷移状態から行ってもよいが、遷移状態では真空処理チャンバ１２内が不安定な状態にあるので、時刻ｔ₈から行うことが好ましい。
【００４７】
水素ガスが真空処理チャンバ１２内に供給されたとき、水素ガスは質量が軽いため、セルフスパッタリング状態には何らの影響も及ぼさない。そして、この水素は層間絶縁膜１０４の表面に浮遊している酸素、及びこの浮遊酸素により生成された酸化銅と還元反応し、水蒸気となって排気、除去される。この浮遊酸素としては、銅原子が層間絶縁膜１０４であるＳｉＯ₂膜に衝突した際に叩き出される酸素が考えられる。浮遊酸素の除去は、銅膜１０８と層間絶縁膜１０４との間の界面に酸化銅が形成されることを防止し、また、既に形成された酸化銅も還元されるので、界面が清浄な状態で維持される。よって、ＳｉＯ₂膜１０４の表面に付着し再結晶化した銅膜１０８は純粋で且つ均質なものとなり、低抵抗化に寄与する。
【００４８】
更には、水素は層間絶縁膜１０４であるＳｉＯ₂膜の表面に接することで、表面状態を活性化させるという効果を奏する。これにより、銅に対する濡れ性が改善される。本実施形態では、ペディスタル１８上の半導体ウェハＷはヒータにより加熱され、しかも半導体ウェハＷの表面は真空処理チャンバ１２内のプラズマによっても加熱されているので、半導体ウェハＷ上に堆積された銅は溶融状態となる。従って、溶融した銅は、活性化したＳｉＯ₂膜１０４の表面に沿って流動化し、図４の（ｂ）に示すような状態でビアホール１０６に円滑に流れ込む。これは、ステップカバレージが良好であるというセルフスパッタリング法自体の効果と相俟って、埋込み性を大幅に改善するものであり、高アスペクト比のホール等にもボイドを生ずることなく埋め込みを行うことができる。
【００４９】
このようにしてビアホール１０６への埋込みが十分に行われたならば（図４の（ｃ）の状態）、電源３８をオフにすると共に、バルブ３０を閉じて水素ガスの供給を停止する。この後、半導体ウェハＷは、図４の（ｄ）のようにＣＭＰ（化学機械研磨）により余分な堆積部分が除去され、ダマシンプロセスが終了する。
【００５０】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことはいうまでもない。
【００５１】
例えば、上記実施形態では、水素ガスを単独で真空処理チャンバ１２内に供給することとしているが、ヘリウムをキャリアガスとして伴ったものであってもよい。
【００５２】
また、上記実施形態では、セルフイパッタリングプロセスにおいてもペディスタル１８を加熱しているが、水素が還元ガスとして作用するに十分な熱がプラズマから与えられるため、ペディスタル１８はヒータにより加熱する必要はない。かかる場合、堆積された銅が溶融せず、ホール１０６内にボイドが形成される可能性があるが、銅膜１０８とＳｉＯ₂膜１０４との間の界面、及び、ボイドの内表面に酸化銅が形成されないので、半導体ウェハＷを大気暴露させずに高温熱処理チャンバに移し、高温リフローすることで、ボイドの消失を図ることが可能となる。
【００５３】
更に、銅成膜プロセスは、上記のシングルダマシンプロセスにおけるものに限られず、デュアルダマシンプロセス等の他のプロセスにおいて行ってもよく、下地膜の表面に浮遊酸素が残留している環境或いはスパッタリング中に浮遊酸素が発生し得る環境においての銅の成膜に特に有効である。
【００５４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、銅の成膜においスパッタリング法を用いるに際し、スパッタリング中に水素ガスを供給することで、基板表面に存在する酸素や酸化銅の影響を防止することができ、純粋な銅膜に形成が可能となる。本発明によれば、高アスペクト比のホール等にも完璧な埋込みを行うことが可能となる。
【００５５】
従って、本発明は、半導体デバイスの高速化、高性能化、小型化に寄与し、また、歩留まり向上にも寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従うマグネトロン式スパッタリング装置の概略構成図である。
【図２】各マグネトロンユニットの配置位置を示すための上面図である。
【図３】１個のマグネットの部分を拡大したマグネトロンユニットの拡大図である。
【図４】本発明による成膜方法を含むダマシンプロセスの手順を示す概略説明図である。
【図５】スパッタリング装置を操作するタイミングチャートを示している。
【図６】通常スパッタリング状態、遷移状態及びセルフスパッタリング状態を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１０…スパッタリング装置、１２…真空チャンバ、１４…ハウジング、１６…ターゲット、１８…ペディスタル、２２…真空ポンプ、２８…アルゴンガス供給源、３２…水素ガス供給源、３８…加速用電極、４０…マグネトロンユニット、６０…ソレノイドコイル、６４…制御装置。

Claims

真空処理チャンバに配置された銅製のターゲットからスパッタリングされた銅粒子を、前記真空処理チャンバ内の基板支持手段により支持された基板上に堆積させ銅の膜を形成する成膜方法であって、
前記真空処理チャンバ内にスパッタリングを開始するためのプロセスガスを供給するステップと、
前記真空処理チャンバ内に供給されたプロセスガスをプラズマ化し、当該プラズマ中に含まれる前記プロセスガスのイオンを前記ターゲットに衝撃させて銅粒子をスパッタリングするステップと、
前記ターゲットからスパッタリングされた銅粒子の一部をイオン化し、当該銅イオンを前記ターゲットに衝撃させて銅粒子をスパッタリングするステップと、
前記銅イオンのみによりスパッタリングを継続すべく前記プロセスガスの供給を停止するステップと、
前記プロセスガスの供給を停止した後、前記銅イオンによるスパッタリングが行われている間、水素ガスを前記真空処理チャンバ内に供給するステップと、
を含むことを特徴とする成膜方法。
前記銅粒子が堆積される下地膜がＳｉＯ2膜であり、ホール又は溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
堆積された銅粒子を溶融すべく前記基板を加熱するステップを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜方法。
スパッタリングを開始する前に前記真空処理チャンバ内に水素ガスを導入し、前記基板の表面に残留している酸素を還元除去するステップを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の成膜方法。