JP4734020B2 - Deposition equipment - Google Patents

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Description

本発明は、処理基板上に所定の薄膜を形成するための成膜装置に関し、特に、同一真空チャンバ内でスパッタリング法による成膜と、化学的成膜法による成膜との少なくとも一方を実施し得る成膜装置に関する。   The present invention relates to a film forming apparatus for forming a predetermined thin film on a processing substrate, and in particular, at least one of film formation by a sputtering method and film formation by a chemical film formation method is performed in the same vacuum chamber. The present invention relates to a film forming apparatus.

近年、LSIの高集積化及び高速化に伴って、半導体素子の微細化と多層化とが進み、これに伴って埋込配線構造が用いられるようになってきた。絶縁膜に形成したビアホールやトレンチなどの層間接続孔に埋め込まれる配線材料としては、比抵抗値が小さい銅を用いることが主流である。ここで、埋込配線中の銅は、アルミニウムなどの他の配線材料とは異なり、SiOなどの絶縁膜中に拡散し易いという性質があることが知られている。 In recent years, along with higher integration and higher speed of LSIs, semiconductor elements have been miniaturized and multilayered, and accordingly, embedded wiring structures have been used. As a wiring material embedded in an interlayer connection hole such as a via hole or a trench formed in an insulating film, it is a mainstream to use copper having a small specific resistance value. Here, it is known that copper in the embedded wiring has a property of being easily diffused into an insulating film such as SiO 2 unlike other wiring materials such as aluminum.

この場合、絶縁膜中への拡散に起因する絶縁不良などを防止するために 例えば絶縁膜と配線形成用の銅薄膜との間に(層間接続孔の内面)、CVD法やスパッタリング法などにより、導電性の薄膜(バリア膜)を介在させることで、銅薄膜と絶縁膜とが直接接触することを防止して絶縁膜への拡散を抑制または防止することが考えられている。   In this case, in order to prevent insulation failure caused by diffusion into the insulating film, for example, between the insulating film and the copper thin film for wiring formation (inner surface of the interlayer connection hole), by CVD method or sputtering method, By interposing a conductive thin film (barrier film), it is considered that the copper thin film and the insulating film are prevented from coming into direct contact to suppress or prevent diffusion into the insulating film.

このバリア膜の成膜方法としては、化学的成膜法、例えばALD法があげられ、このALD法は、真空チャンバ内に設置した処理基板を所定温度まで昇温させた後、原料ガス及び反応ガスのうちいずれか一方を導入して処理基板に吸着させる工程と、導入したガスを一旦真空排気した後、他方を導入して処理基板上で反応させる工程とを繰り返すことによって、原子層程度で金属層を積層し、所定膜厚のバリア膜を得るものである(特許文献1)。
特開平11−54459号(例えば、請求項1の記載参照)
Examples of the film formation method for the barrier film include a chemical film formation method, for example, an ALD method. In this ALD method, after raising the temperature of a processing substrate installed in a vacuum chamber to a predetermined temperature, a source gas and a reaction are performed. By repeating either the step of introducing one of the gases and adsorbing it on the processing substrate, and the step of once evacuating the introduced gas and then introducing the other and reacting on the processing substrate, the atomic layer is reduced to about A metal layer is laminated to obtain a barrier film having a predetermined thickness (Patent Document 1).
Japanese Patent Laid-Open No. 11-54459 (for example, see the description of claim 1)

このALD法によってバリア膜を形成する場合、層間絶縁膜などへの充分な付着強度が得られないという問題がある。このことから、ALD法によるバリア膜の形成に先立って、例えばスパッタリング法でバリア膜の密着層を形成することが考えられる。この場合、ALD法によるバリア膜の形成とスパッタリング法による密着層の形成とを別個の真空チャンバで行なうと、バリア膜形成の作業効率が低下する等の問題が生じることから、同一の真空チャンバ内でALD法によるバリア膜の形成とスパッタリング法による密着層の形成とを行うことが要請される。   When a barrier film is formed by this ALD method, there is a problem that sufficient adhesion strength to an interlayer insulating film or the like cannot be obtained. From this, it is conceivable to form an adhesion layer of the barrier film by sputtering, for example, prior to formation of the barrier film by ALD. In this case, if the formation of the barrier film by the ALD method and the formation of the adhesion layer by the sputtering method are performed in separate vacuum chambers, problems such as a reduction in the working efficiency of the barrier film formation occur. Therefore, it is required to form a barrier film by an ALD method and an adhesion layer by a sputtering method.

同一の真空チャンバ内でALD法による薄膜形成とスパッタリング法による薄膜形成とを行い得るようにする場合、スパッタリング用のターゲットの表面に、ALD法による成膜の際に導入されるガスが吸着して汚染される虞がある。ターゲットが汚染されると、スパッタリング法による成膜時に例えば異常放電を誘発する等の不具合が生じ、良好な成膜ができない。   When thin film formation by ALD method and thin film formation by sputtering method can be performed in the same vacuum chamber, the gas introduced during film formation by ALD method is adsorbed on the surface of sputtering target. There is a risk of contamination. If the target is contaminated, a problem such as inducing abnormal discharge occurs at the time of film formation by sputtering, and good film formation cannot be performed.

そこで、本発明の課題は、上記点に鑑み、同一の真空チャンバ内で、ターゲットの汚染を防止して、化学的成膜法による成膜とスパッタリング法による成膜とを良好に行い得る成膜装置を提供することにある。   Therefore, in view of the above points, an object of the present invention is to perform film formation by chemical film formation and film formation by sputtering in a single vacuum chamber while preventing target contamination. To provide an apparatus.

上記課題を解決するために、本発明の成膜装置は、真空チャンバ内に処理基板の設置を可能とする基板ステージを配置し、この基板ステージに対向させて設けたターゲットを有し、処理基板に対しスパッタリング法により成膜を行い得るスパッタリング成膜手段と、ガス導入手段を有し、処理基板に対し化学的成膜法により成膜を行い得る化学的成膜手段とを備え、この真空チャンバを、ターゲットが存する第1空間と基板ステージが存する第2空間とに仕切る仕切り板を設けた成膜装置であって、前記ターゲットは、このターゲットの水平方向の位置の変更を可能とする移動手段に装着され、いずれの移動位置においても、第1空間にプラズマを発生させてターゲットのスパッタリングが可能であり、前記移動手段によっていずれかの位置にターゲットを移動すると、処理基板に対しスパッタリング法により成膜を行い得るようにこのターゲットが臨む開口部を仕切り板に形成したことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a film forming apparatus according to the present invention has a substrate stage in which a processing substrate can be placed in a vacuum chamber, and has a target provided to face the substrate stage. This vacuum chamber has a sputtering film forming means capable of forming a film by a sputtering method and a chemical film forming means having a gas introducing means and capable of forming a film by a chemical film forming method on a processing substrate. Is a film forming apparatus provided with a partition plate that partitions the first space where the target exists and the second space where the substrate stage exists, the target being capable of changing the horizontal position of the target. is attached to, in any moved position, by generating plasma in the first space is capable of sputtering of the target, the position of any by said moving means When you move the target, characterized in that the opening facing this target to be performed by a sputtering method to process a substrate formed in the partition plate.

本発明によれば、移動手段によって、仕切り板に形成した開口部と一致する位置までターゲットを移動させた後、スパッタリング成膜手段を作動させて処理基板に対しスパッタリング法によって所定の薄膜が形成される。次いで、開口部とターゲットとが一致しない位置までターゲットを移動させ、この状態で、化学的成膜手段を作動させて処理基板に対し化学的成膜法による所定の薄膜が形成される。この場合、仕切り板によってターゲットを遮蔽されているため、化学的成膜法を行う際に導入される原料ガスや反応ガスのターゲット近傍への流れ込みが抑制され、これにより、ガスの吸着に起因したターゲットの汚染が防止できる。   According to the present invention, after the target is moved to a position coinciding with the opening formed in the partition plate by the moving means, the sputtering film forming means is operated to form a predetermined thin film on the processing substrate by the sputtering method. The Next, the target is moved to a position where the opening and the target do not coincide with each other, and in this state, the chemical film forming means is operated to form a predetermined thin film on the processing substrate by the chemical film forming method. In this case, since the target is shielded by the partition plate, the flow of the raw material gas and the reaction gas introduced when performing the chemical film-forming method into the vicinity of the target is suppressed, and this is caused by gas adsorption. Target contamination can be prevented.

尚、前記化学的成膜法は、原料ガスを導入して処理基板表面に原料ガスを吸着させる工程と、反応ガスを導入して吸着した原料ガスと反応させる工程とを周期的に繰り返して行うALD法であることが好ましい。   In the chemical film-forming method, the process of introducing the source gas to adsorb the source gas on the surface of the processing substrate and the process of introducing the reaction gas and reacting with the adsorbed source gas are periodically repeated. The ALD method is preferred.

また、前記基板ステージ上に設置される処理基板を回転させる駆動手段を基板ステージに設けてば、スパッタリング法によって処理基板上に所定の薄膜を形成する際に、膜厚の面内均一性が高く保持できてよい。   In addition, if the substrate stage is provided with a driving means for rotating the processing substrate placed on the substrate stage, the in-plane uniformity of the film thickness is high when a predetermined thin film is formed on the processing substrate by the sputtering method. You can hold it.

ところで、基板ステージとターゲットとを対向して配置する場合、化学的成膜法による薄膜形成の際の成膜速度を高めるには、化学的成膜法を行う第2空間の容積を小さくする必要がある。この場合、前記移動手段は第1空間に設けた円板であり、この円板を回転自在とする駆動手段の回転軸を、前記処理基板を回転させる前記駆動手段の回転中心から偏移させて設けておけばよい。 By the way, when the substrate stage and the target are arranged to face each other, it is necessary to reduce the volume of the second space in which the chemical film forming method is performed in order to increase the film forming speed when forming the thin film by the chemical film forming method. There is. In this case, the moving means is a disk provided in the first space, and the rotation axis of the driving means for rotating the disk is shifted from the rotation center of the driving means for rotating the processing substrate. It should be provided.

前記ガス導入手段は、基板ステージの上方に位置してこの基板ステージを囲うように設けたリング状のヘッド部を有し、このヘッド部に、処理基板に向かって所定のガスを噴出するように所定の間隔を置いて複数のガス導入孔を形成しておけば、処理基板に対し所定のガスを均等に供給できてよい。 The gas introducing means has a ring-shaped head portion provided above the substrate stage so as to surround the substrate stage, and a predetermined gas is jetted toward the processing substrate on the head portion. If a plurality of gas introduction holes are formed at a predetermined interval, it may be possible to uniformly supply a predetermined gas to the processing substrate.

また、前記ターゲットの近傍に、所定のパージガスの導入を可能とするガス導入手段を設けておけば、化学的成膜法による成膜の際に、ターゲット近傍へのガスの流れ込みをさらに抑制できてよい。   In addition, if a gas introduction means that enables introduction of a predetermined purge gas is provided in the vicinity of the target, gas flow into the vicinity of the target can be further suppressed during film formation by a chemical film formation method. Good.

さらに、前記ターゲットが仕切り板によって遮蔽された位置で、スパッタリング成膜手段を作動させてプレスパッタを行うように制御すれば、仮にターゲット近傍に流れ込んだガスによってターゲット表面が多少汚染された場合でも、プレスパッタで汚染された部分をクリーニングでき、スパッタリング法による成膜時に例えば異常放電を誘発する等の不具合が発生するのを防止して良好な成膜が可能になる。   Furthermore, if the target is shielded by the partition plate and controlled to operate the sputtering film forming means to perform pre-sputtering, even if the target surface is somewhat contaminated by the gas flowing into the vicinity of the target, A portion contaminated by the pre-sputtering can be cleaned, and it is possible to prevent the occurrence of problems such as inducing abnormal discharge during film formation by the sputtering method, thereby enabling good film formation.

以上説明したように、本発明の成膜装置は、同一の真空チャンバ内で、ターゲットの汚染を防止して、化学的成膜法による成膜とスパッタリング法による成膜とを良好に行い得るという効果を奏する。   As described above, the film forming apparatus of the present invention can perform the film formation by the chemical film formation method and the film formation by the sputtering method in the same vacuum chamber while preventing contamination of the target. There is an effect.

図1乃至図3を参照して、1は、同一の真空チャンバ内で化学的成膜法であるALD法による成膜とスパッタリング法による成膜とを良好に行い得る本発明の成膜装置である。成膜装置1は、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段2を有する円筒形状の真空チャンバ11を有し、真空チャンバ11の底部には、シリコンウェハーなどの処理基板Sの載置を可能とする基板ステージ12が設けられている。基板ステージ12には、処理基板Sを所定温度に加熱するために、例えば抵抗加熱方式の公知の加熱手段(図示せず)が内蔵されている。   Referring to FIGS. 1 to 3, reference numeral 1 denotes a film forming apparatus according to the present invention which can satisfactorily perform film formation by an ALD method which is a chemical film formation method and film formation by a sputtering method in the same vacuum chamber. is there. The film forming apparatus 1 has a cylindrical vacuum chamber 11 having a vacuum exhaust means 2 such as a turbo molecular pump, and a substrate on which a processing substrate S such as a silicon wafer can be placed at the bottom of the vacuum chamber 11. A stage 12 is provided. In order to heat the processing substrate S to a predetermined temperature, the substrate stage 12 incorporates, for example, a known heating means (not shown) of a resistance heating method.

また、基板ステージ12の直上に位置して真空チャンバ11内には、処理基板Sに対し化学的成膜法による成膜を行う際に、所定のガスを導入する第1及び第2の各ガス導入手段31、32が設けられ、この加熱手段と各ガス導入手段31、32とが化学的成膜手段3を構成する。図1及び図2に示すように、第1及び第2のガス導入手段31、32は、基板ステージ12を囲うように同心状であって上下方向にずらして設けたリング状のヘッド部31a、32aをそれぞれ有し、各ベッド部31a、32aには、処理基板Sに向かって所定のガスを噴出するように90度づつ角度をずらして4個のガス導入孔31b、32bが形成されている。また、各ヘッド部31a、32aは、マスフローコントローラを介設したガス管31c、32cを介して、図示しない所定のガス源(例えば、原料ガス源、反応ガス源)にそれぞれ連通している。   Also, first and second gases that are introduced into the vacuum chamber 11 located immediately above the substrate stage 12 when a film is formed on the processing substrate S by a chemical film forming method are introduced. Introducing means 31 and 32 are provided, and the heating means and the gas introducing means 31 and 32 constitute the chemical film forming means 3. As shown in FIGS. 1 and 2, the first and second gas introduction means 31 and 32 are concentric so as to surround the substrate stage 12, and are provided with ring-shaped head portions 31 a that are shifted in the vertical direction. Each of the bed portions 31a and 32a is formed with four gas introduction holes 31b and 32b at different angles by 90 degrees so that a predetermined gas is ejected toward the processing substrate S. . Moreover, each head part 31a, 32a is each connected to the predetermined gas source (For example, source gas source, reaction gas source) which is not shown in figure via the gas pipe | tubes 31c and 32c which interposed the mass flow controller.

例えば処理基板S上に形成した絶縁膜にパターニングして形成した層間接続孔にALD法によりバリア膜を形成する場合、原料ガスとしては、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、タングステン(W)などを化学構造中に含む有機金属ガスであり、反応ガスとしては、原料ガスと反応し、これらの金属の構成元素を化学構造中に含む金属薄膜を析出させるアンモニアガスなどである。   For example, when a barrier film is formed by an ALD method in an interlayer connection hole formed by patterning an insulating film formed on the processing substrate S, source gases include tantalum (Ta), titanium (Ti), tungsten (W), etc. The reaction gas is an ammonia gas that reacts with the raw material gas and deposits a metal thin film containing the constituent elements of these metals in the chemical structure.

そして、基板ステージ12に載置した処理基板Sを所定温度まで昇温させた後、原料ガス及び反応ガスのうちいずれか一方を導入して処理基板Sに吸着させる工程と、この一方のガスを一旦真空排気した後、他方を導入して処理基板S上で反応させる工程とを繰り返すことによって、原子層程度で金属層を積層し、所定膜厚の薄膜が得られる。   Then, after raising the temperature of the processing substrate S placed on the substrate stage 12 to a predetermined temperature, a step of introducing one of the source gas and the reaction gas and adsorbing the processing substrate S to the processing substrate S, and this one gas Once the vacuum is evacuated, the process of introducing the other and reacting on the processing substrate S is repeated, whereby a metal layer is stacked in the order of atomic layers to obtain a thin film having a predetermined thickness.

ここで、ALD法によって成膜すると、付着強度が弱いという問題がある。このことから、本実施の形態では、同一真空チャンバ11内でALD法による薄膜形成に先立ってスパッタリング法で所定の密着層を形成できるように、基板ステージ12に対向させて真空チャンバ12の上部にはスパッタリングカソード41が設けられている。   Here, when a film is formed by the ALD method, there is a problem that the adhesion strength is weak. Therefore, in the present embodiment, the predetermined adhesion layer can be formed by the sputtering method prior to the thin film formation by the ALD method in the same vacuum chamber 11 so as to be opposed to the substrate stage 12 and above the vacuum chamber 12. Is provided with a sputtering cathode 41.

スパッタリングカソード41は、磁性材料から製作された円板41aを有し、この回転テーブル41aは、モータなどの駆動手段41bの回転軸41cに連結されている。円板41aの基板ステージ12側の所定の位置には、円板41aの回転中心から偏芯させてターゲット41cが取付けられ、この円板41aが、同一平面内でのターゲット41cの水平方向の位置を変更する移動手段を構成する。また、ターゲット41cの後方に位置して回転テーブル41aには、公知の構造を有する磁石組立体41dが設けられ、ターゲット41cのスパッタ面の前方にトンネル状の磁束を形成するようになっている。   The sputtering cathode 41 has a disk 41a made of a magnetic material, and the rotary table 41a is connected to a rotating shaft 41c of a driving means 41b such as a motor. A target 41c is attached at a predetermined position on the substrate stage 12 side of the disc 41a so as to be eccentric from the rotation center of the disc 41a. The disc 41a is positioned in the horizontal direction of the target 41c in the same plane. Constitutes a moving means for changing. Further, the rotary table 41a located behind the target 41c is provided with a magnet assembly 41d having a known structure so as to form a tunnel-like magnetic flux in front of the sputtering surface of the target 41c.

ターゲット41cは、処理基板S上に成膜しようする薄膜の組成に応じて公知の方法で作製される。例えば、スパッタリング法でバリア膜の密着層を形成する場合のターゲットとしては、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、タングステン(W)など、原料ガスに含まれる金属の構成元素を主成分とするものである。また、ターゲット41cは、このターゲット41cの前方にプラズマが発生させるため、ターゲット41cに直流電圧または高周波電圧を印加するスパッタ電源42に接続されている。この場合、処理基板Sもまた、バイアス電圧を印加するためにスパッタ電源42に接続されている。   The target 41c is manufactured by a known method according to the composition of the thin film to be formed on the processing substrate S. For example, as a target for forming an adhesion layer of a barrier film by sputtering, the main component is a constituent element of a metal contained in a source gas such as tantalum (Ta), titanium (Ti), tungsten (W), etc. It is. The target 41c is connected to a sputtering power source 42 that applies a DC voltage or a high-frequency voltage to the target 41c in order to generate plasma in front of the target 41c. In this case, the processing substrate S is also connected to the sputtering power source 42 in order to apply a bias voltage.

ターゲット41cの近傍には、第3のガス導入手段43が設けられている。ガス導入手段43は、マスフローコントローラを介設したガス管43aを介して図示しないガス源に連通し、アルゴンなどのスパッタガスを一定の流量で導入できるようになっている。そして、スパッタリングカソード41、スパッタ電源42及び第3のガス導入手段43がスパッタリング成膜手段4を構成する。   A third gas introduction means 43 is provided in the vicinity of the target 41c. The gas introduction means 43 communicates with a gas source (not shown) via a gas pipe 43a provided with a mass flow controller, and can introduce a sputtering gas such as argon at a constant flow rate. The sputtering cathode 41, the sputtering power source 42 and the third gas introduction unit 43 constitute the sputtering film forming unit 4.

ところで、上記のように、同一の真空チャンバ11内でALD法による成膜とスパッタリング法による成膜とを行い得るように成膜装置1を構成した場合、ターゲット41cの表面(スパッタ面)に、ALD法による成膜の際に導入される原料ガスや吸着ガスが吸着して汚染される虞がある。ターゲット41cが汚染されると、スパッタリング法による成膜時に例えば異常放電を誘発する等の不具合が生じ、良好な成膜の妨げとなる虞がある。   By the way, when the film-forming apparatus 1 is configured so that film formation by the ALD method and film formation by the sputtering method can be performed in the same vacuum chamber 11 as described above, the surface (sputter surface) of the target 41c is There is a possibility that the raw material gas or adsorbed gas introduced during the film formation by the ALD method is adsorbed and contaminated. If the target 41c is contaminated, a problem such as inducing abnormal discharge occurs at the time of film formation by sputtering, which may hinder good film formation.

本実施の形態では、ターゲット41cが存する真空チャンバ11上部の第1空間11aと基板ステージ12が存する第2空間11bとを隔絶するように、スパッタリングカソードに近接させて仕切り板5が設けられている。図3に示すように、仕切り板5には、円板41aを所定の位置まで回転させた場合に、処理基板Sに対しスパッタリング法により成膜を行い得るようにターゲット41cが臨む開口部51が形成され、開口部51は、ターゲット41cの外形より大きい面積を有する。   In the present embodiment, the partition plate 5 is provided close to the sputtering cathode so as to isolate the first space 11a above the vacuum chamber 11 where the target 41c exists and the second space 11b where the substrate stage 12 exists. . As shown in FIG. 3, the partition plate 5 has an opening 51 where the target 41c faces so that film formation can be performed on the processing substrate S by sputtering when the disk 41a is rotated to a predetermined position. The formed opening 51 has an area larger than the outer shape of the target 41c.

これにより、開口部51とターゲット41cとが一致しない遮蔽位置では、仕切り板5によってターゲット41cが遮蔽されているため、化学的成膜法を行う際に導入される原料ガスや反応ガスのターゲット41c近傍への流れ込みが抑制され、これにより、ガスの吸着に起因したターゲット41cの汚染が防止できる。この場合、ターゲット41cの近傍に、希ガスなどの所定のパージガスの導入を可能とする第4のガス導入手段44を設けて、遮蔽手段5と真空チャンバ11の内壁面との間の間隙などを通って原料ガスや反応ガスが流れ込むのを防止している。   Thereby, since the target 41c is shielded by the partition plate 5 at the shielding position where the opening 51 and the target 41c do not coincide with each other, the target 41c of the raw material gas and the reactive gas introduced when the chemical film forming method is performed. Inflow to the vicinity is suppressed, thereby preventing contamination of the target 41c due to gas adsorption. In this case, a fourth gas introduction means 44 that enables introduction of a predetermined purge gas such as a rare gas is provided in the vicinity of the target 41c, and a gap between the shielding means 5 and the inner wall surface of the vacuum chamber 11 is provided. The raw material gas and the reaction gas are prevented from flowing through.

また、遮蔽位置で、スパッタリング成膜手段41を作動させてプレスパッタを行うように制御すれば、ターゲット41c近傍に流れ込んだガスによってターゲット41cのスパッタ面が多少汚染されても、プレスパッタで汚染された部分をクリーニングでき、スパッタリング法による成膜時に例えば異常放電を誘発する等の不具合が発生するのを防止して良好な成膜が可能になる。   Further, if the sputtering film forming means 41 is operated at the shielding position so as to perform pre-sputtering, even if the sputtering surface of the target 41c is slightly contaminated by the gas flowing in the vicinity of the target 41c, it is contaminated by pre-sputtering. Thus, it is possible to clean the portion, and it is possible to prevent the occurrence of problems such as inducing abnormal discharge during film formation by the sputtering method and to perform good film formation.

真空排気手段2の排気管21、22は、真空チャンバ11の上部空間11aと、基板ステージが存する空間11bにそれぞれ接続され、例えば、真空ポンプの上流側に切換弁(図示せず)を配置しておき、この切換弁を切換えて各空間11a、11bを独立して真空排気できるように構成している。また、処理基板S上に形成される薄膜の膜厚の面内均一性が高く保持されるように、基板ステージ12上に設置される処理基板Sを回転させるモータなどの駆動手段12aを基板ステージ12に設けている。   The exhaust pipes 21 and 22 of the vacuum exhaust means 2 are respectively connected to the upper space 11a of the vacuum chamber 11 and the space 11b in which the substrate stage exists. For example, a switching valve (not shown) is disposed upstream of the vacuum pump. The switching valves are switched so that the spaces 11a and 11b can be evacuated independently. Further, a driving means 12a such as a motor for rotating the processing substrate S installed on the substrate stage 12 is provided so that the in-plane uniformity of the film thickness of the thin film formed on the processing substrate S is kept high. 12 is provided.

ところで、成膜装置1において、駆動手段12aの回転軸12bと、スパッタリングカソード41の回転テーブル41aの回転軸41cとを同軸線上に配置したのでは、ALD法による成膜を行う第2空間11bの容積が大きくなり、原料ガスや反応ガスの処理基板Sへの吸着速度が低くなり、第2空間52内に導入した原料ガスや反応ガスを急速に真空排気できない。その結果、その成膜速度が低くなる。このため、駆動手段12aの回転軸12b、即ち、駆動手段12aの回転中心から、回転テーブル41aの回転軸41cを偏移させた。このため、真空チャンバ11の横方向の寸法を小さく設定でき、その容積を小さくできる。   By the way, in the film forming apparatus 1, if the rotating shaft 12b of the driving means 12a and the rotating shaft 41c of the rotating table 41a of the sputtering cathode 41 are arranged on the same axis, the second space 11b in which the film is formed by the ALD method. The volume increases, the adsorption rate of the source gas and reaction gas to the processing substrate S decreases, and the source gas and reaction gas introduced into the second space 52 cannot be rapidly evacuated. As a result, the deposition rate is lowered. For this reason, the rotating shaft 41c of the rotating table 41a is shifted from the rotating shaft 12b of the driving unit 12a, that is, the rotation center of the driving unit 12a. For this reason, the dimension of the horizontal direction of the vacuum chamber 11 can be set small, and the volume can be made small.

他方で、スパッタリング法によって処理基板Sに対し成膜する場合、処理基板S面内での薄膜の膜厚の均一性を高めるには、ターゲット41cと処理基板Sとの間の距離を設定する必要がある。このため、ターゲット41cと処理基板Sとの間の距離が120mm〜300mmの範囲に設定している。また、ヘッド部31a、32aと処理基板Sとの間の距離は、15〜30mmの範囲に設定している。   On the other hand, when the film is formed on the processing substrate S by the sputtering method, it is necessary to set the distance between the target 41c and the processing substrate S in order to increase the uniformity of the thin film thickness within the surface of the processing substrate S. There is. For this reason, the distance between the target 41c and the processing substrate S is set in a range of 120 mm to 300 mm. Further, the distance between the head portions 31a and 32a and the processing substrate S is set in a range of 15 to 30 mm.

次に、本発明の成膜装置1を用いて、絶縁膜に形成した層間接続孔に配線用の埋込層を形成するのに先立ってバリア膜を形成する際の作動について説明する。処理基板Sの表面の脱ガスなどの前処理工程が終了した後、基板ステージ12に処理基板Sを載置する。この状態では、開口部51とターゲット41cとが一致した開放位置にある。この状態で、駆動手段12aによって処理基板Sを所定回転数で回転させつつ、第3のガス導入手段43を介してスパッタガスを真空チャンバ11内に導入し、スパッタ電源42を介してターゲット41cに高周波電圧を印加することでターゲット41cの前方にプラズマを発生させてターゲット41cをスパッタリングし、絶縁膜上に所定膜厚で絶縁膜側密着層を形成する。   Next, the operation when forming a barrier film prior to forming a buried layer for wiring in an interlayer connection hole formed in an insulating film using the film forming apparatus 1 of the present invention will be described. After the pretreatment process such as degassing of the surface of the processing substrate S is completed, the processing substrate S is placed on the substrate stage 12. In this state, the opening 51 and the target 41c are in an open position where they coincide. In this state, sputter gas is introduced into the vacuum chamber 11 via the third gas introduction means 43 while the processing substrate S is rotated at a predetermined rotational speed by the driving means 12a, and is supplied to the target 41c via the sputter power source 42. By applying a high frequency voltage, plasma is generated in front of the target 41c to sputter the target 41c, and an insulating film side adhesion layer is formed with a predetermined thickness on the insulating film.

次いで、駆動手段41bによって回板41aを所定の回転角だけ回転させて保持すると共に、基板ステージ12に内蔵した加熱手段を作動させて処理基板Sを加熱する。次いで、第2空間11b内の圧力が所定値に到達すると共に、処理基板Sが所定温度に達すると、第1のガス導入手段31を介して原料ガスを導入して、処理基板Sの表面に原料ガスを吸着させる。次いで、第1のガス導入手段31に設けたマスフローコントローラを制御して原料ガスの供給を停止し、再度第2空間11bの圧力が所定値に到達するまで真空排出する。   Next, the rotating plate 41a is rotated by a predetermined rotation angle and held by the driving unit 41b, and the processing substrate S is heated by operating the heating unit built in the substrate stage 12. Next, when the pressure in the second space 11b reaches a predetermined value and the processing substrate S reaches a predetermined temperature, a raw material gas is introduced through the first gas introduction means 31 to the surface of the processing substrate S. Adsorb source gas. Next, the supply of the source gas is stopped by controlling the mass flow controller provided in the first gas introduction means 31, and the vacuum is discharged until the pressure in the second space 11b reaches a predetermined value again.

次いで、第2のガス導入手段32を介して反応ガスを導入し、処理基板S表面に吸着された原料ガスと反応させる。この場合、反応ガスをラジカル化して導入してもよい。そして、第2のガス導入手段32に設けたマスフローコントローラを制御して反応ガスの供給を停止し、再度第2空間11bの圧力が所定値に到達するまで真空排出する。そして、上記手順を所望回数繰り返すことで、密着層上に所定膜厚でバリア膜が形成される。この場合、上記手順を所望回数繰り返して成膜を終了する直前に、遮蔽位置で、スパッタリング成膜手段4を作動させてプレスパッタを行う。   Next, a reactive gas is introduced through the second gas introducing means 32 to react with the raw material gas adsorbed on the surface of the processing substrate S. In this case, the reaction gas may be radicalized and introduced. Then, the mass flow controller provided in the second gas introduction means 32 is controlled to stop the supply of the reaction gas, and the vacuum is discharged until the pressure in the second space 11b reaches a predetermined value again. Then, by repeating the above procedure a desired number of times, a barrier film having a predetermined thickness is formed on the adhesion layer. In this case, pre-sputtering is performed by operating the sputtering film forming means 4 at the shielding position immediately before the film formation is completed by repeating the above procedure a desired number of times.

所定膜厚のバリア膜を形成し、プレスパッタが終了した後、駆動手段41bによって円板41aを開放位置まで回転させ、第3のガス導入手段43を介してスパッタガスを導入すると共に、スパッタ電源42を介してターゲット41cに高周波電圧を印加することでターゲット41cの前方にプラズマを発生させて、ターゲット41cをスパッタリングして、バリア膜の表面に金属薄膜すなわちバリア膜側密着層を形成する。   After the barrier film having a predetermined thickness is formed and the pre-sputtering is completed, the disk 41a is rotated to the open position by the driving means 41b, the sputtering gas is introduced through the third gas introducing means 43, and the sputtering power source A high frequency voltage is applied to the target 41c via 42 to generate plasma in front of the target 41c, and the target 41c is sputtered to form a metal thin film, that is, a barrier film side adhesion layer on the surface of the barrier film.

尚、本実施の形態では、化学的成膜法を行う際に遮蔽手段5によってターゲット41cを遮蔽することとしたが、これに限定されるものではなく、例えば、ALD法による成膜中に、ターゲット41cを開放位置に保持すると共に、スパッタガスを導入し、ターゲット41cに高周波電圧を印加してプラズマを発生させるようにしてもよい。この場合、原料ガスと反応ガスとを反応させて処理基板Sの表面上でバリア膜を形成する間、スパッタリングによって原料ガスと同じ金属の構成元素を主成分とする金属を処理基板S入射させることで、バリア膜中の金属の構成元素の含有率が増加させて改質でき、緻密なバリア膜が得られる。   In the present embodiment, the target 41c is shielded by the shielding means 5 when the chemical film-forming method is performed. However, the present invention is not limited to this. For example, during film formation by the ALD method, While holding the target 41c in the open position, sputtering gas may be introduced, and a high frequency voltage may be applied to the target 41c to generate plasma. In this case, while the source gas and the reaction gas are reacted to form the barrier film on the surface of the processing substrate S, the processing substrate S is made incident with a metal whose main component is the same constituent element as the source gas by sputtering. Thus, the content of the constituent elements of the metal in the barrier film can be increased and reformed, and a dense barrier film can be obtained.

原料ガスが有機金属化合物の場合、スパッタリングによってこの構成元素が処理基板Sの表面に入射することにより、分解が促進されてカーボン等の不純物がバリア膜からはじき出されるため、不純物の少ない低抵抗のバリア膜を取得することができる。例えば、ターゲット41cとして金属タンタル、原料ガスとして有機タンタルガス、反応ガスとしてアンモニアガスを使用した場合、処理基板Sの表面上で有機タンタルとアンモニアガスとが反応している間に、金属タンタルが入射し、処理基板S表面に窒化タンタルの薄膜が析出される。   When the source gas is an organometallic compound, this constituent element is incident on the surface of the processing substrate S by sputtering, so that decomposition is accelerated and impurities such as carbon are ejected from the barrier film. A membrane can be obtained. For example, when metal tantalum is used as the target 41c, organic tantalum gas is used as the source gas, and ammonia gas is used as the reaction gas, the metal tantalum is incident while the organic tantalum and ammonia gas react on the surface of the processing substrate S. Then, a tantalum nitride thin film is deposited on the surface of the processing substrate S.

また、本実施の形態では、ターゲット41cを同一平面内で移動させるために、駆動手段41bを有する円板41aを用いたが、これに限定されるものではなく、例えば、公知の構造のカソードにエアーシリンダなどの往復動自在な移動手段を連結し、開放位置と遮蔽位置との間でカソード、即ち、ターゲットを移動させるようにしてもよい。   In the present embodiment, the disk 41a having the driving means 41b is used to move the target 41c in the same plane. However, the present invention is not limited to this. For example, a cathode having a known structure is used. A reciprocating moving means such as an air cylinder may be connected to move the cathode, that is, the target between the open position and the shield position.

さらに、本実施の形態では、絶縁膜と銅配線膜との間にバリア層を形成するものを例として説明し、化学的成膜法としてALD法を用いているが、これに限定されるものではなく、化学的成膜法としてはCVD法でもよく、スパッタリング法及び化学的成膜法を実施して薄膜を形成するものであれば、適用できる。   Furthermore, in the present embodiment, an example in which a barrier layer is formed between an insulating film and a copper wiring film is described as an example, and the ALD method is used as a chemical film forming method, but the present invention is not limited to this. Instead, the chemical film-forming method may be a CVD method, and can be applied as long as a thin film is formed by performing a sputtering method and a chemical film-forming method.

本発明の成膜装置を概略的に示す断面図。1 is a cross-sectional view schematically showing a film forming apparatus of the present invention. 化学的成膜法を行う際に用いるガスリングを説明する図。The figure explaining the gas ring used when performing a chemical film-forming method. スパッタリングカソードを説明する図。The figure explaining a sputtering cathode.

符号の説明Explanation of symbols

1 成膜装置
11 真空チャンバ
12 基板ステージ
2 真空排気手段
3 化学的成膜手段
3a、3b、43 ガス導入手段
4 スパッタリング成膜手段
41a 移動手段
41c ターゲット
5 仕切り板
51 開口部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Film-forming apparatus 11 Vacuum chamber 12 Substrate stage 2 Vacuum exhaust means 3 Chemical film-forming means 3a, 3b, 43 Gas introduction means 4 Sputtering film-forming means 41a Moving means 41c Target 5 Partition plate 51 Opening

Claims (7)

真空チャンバ内に処理基板の設置を可能とする基板ステージを配置し、この基板ステージに対向させて設けたターゲットを有し、処理基板に対しスパッタリング法により成膜を行い得るスパッタリング成膜手段と、ガス導入手段を有し、処理基板に対し化学的成膜法により成膜を行い得る化学的成膜手段とを備え、この真空チャンバを、ターゲットが存する第1空間と基板ステージが存する第2空間とに仕切る仕切り板を設けた成膜装置であって、
前記ターゲットは、このターゲットの水平方向の位置の変更を可能とする移動手段に装着され、いずれの移動位置においても、第1空間にプラズマを発生させてターゲットのスパッタリングが可能であり、
前記移動手段によっていずれかの位置にターゲットを移動すると、処理基板に対しスパッタリング法により成膜を行い得るようにこのターゲットが臨む開口部を仕切り板に形成したことを特徴とする成膜装置。
A sputtering film forming means for disposing a substrate stage capable of setting a processing substrate in a vacuum chamber, having a target provided facing the substrate stage, and capable of forming a film on the processing substrate by a sputtering method; Chemical deposition means having a gas introduction means and capable of forming a film on the processing substrate by a chemical film formation method, and this vacuum chamber includes a first space where a target exists and a second space where a substrate stage exists A film forming apparatus provided with a partition plate for partitioning;
The target is mounted on a moving means that enables the horizontal position of the target to be changed, and at any moving position, the target can be sputtered by generating plasma in the first space,
When you move the target in any position by said moving means, the film forming apparatus, characterized in that an opening facing this target to be subjected to film formation to form the partition plate by a sputtering method to process a substrate .
前記化学的成膜法は、原料ガスを導入して処理基板表面に原料ガスを吸着させる工程と、反応ガスを導入して吸着した原料ガスと反応させる工程とを周期的に繰り返して行うALD法であることを特徴とする請求項1記載の成膜装置。 The chemical film-forming method is an ALD method in which a source gas is introduced to adsorb the source gas on the surface of the processing substrate, and a reaction gas is introduced to react with the adsorbed source gas periodically. The film forming apparatus according to claim 1, wherein: 前記基板ステージ上に設置される処理基板を回転させる駆動手段を基板ステージに設けたことを特徴とする請求項1または請求項2記載の成膜装置。 The film forming apparatus according to claim 1, wherein a driving unit that rotates a processing substrate placed on the substrate stage is provided on the substrate stage. 前記移動手段は第1空間に設けた円板であり、この円板を回転自在とする駆動手段の回転軸を、前記処理基板を回転させる駆動手段の回転中心から偏移させて設けたことを特徴とする請求項3記載の成膜装置。 The moving means is a disk provided in the first space, and the rotation shaft of the driving means for rotating the disk is provided by shifting from the rotation center of the driving means for rotating the processing substrate. The film forming apparatus according to claim 3. 前記ガス導入手段は、基板ステージの遮蔽手段側に位置してこの基板ステージを囲うように設けたリング状のヘッド部を有し、このヘッド部に、処理基板に向かって所定のガスを噴出するように所定の間隔を置いて複数のガス導入孔を形成したことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の成膜装置。 The gas introducing means has a ring-shaped head portion provided on the shielding means side of the substrate stage so as to surround the substrate stage, and a predetermined gas is jetted to the head portion toward the processing substrate. The film forming apparatus according to claim 1, wherein a plurality of gas introduction holes are formed at predetermined intervals as described above. 前記ターゲットの近傍に、所定のパージガスの導入を可能とするガス導入手段を設けたことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の成膜装置。 6. The film forming apparatus according to claim 1, further comprising a gas introduction unit that enables introduction of a predetermined purge gas in the vicinity of the target. 前記ターゲットが開口部と一致しない位置で、スパッタリング成膜手段を作動させてプレスパッタを行うように制御することを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の成膜装置。 The film forming apparatus according to claim 1, wherein pre-sputtering is controlled by operating a sputtering film forming unit at a position where the target does not coincide with the opening.
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