JP4833014B2

JP4833014B2 - 高温リフロースパッタリング装置

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Publication number: JP4833014B2
Application number: JP2006271253A
Authority: JP
Inventors: 正彦小林; 信行高橋
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 2006-10-02
Filing date: 2006-10-02
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2018-04-24
Also published as: JP2007036285A

Description

本願の発明は、基板の表面に形成されたホール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。

ターゲットをスパッタして基板の表面に所定の薄膜を作成するスパッタリングの技術は、半導体集積回路の製作の際などに盛んに利用されている。このスパッタリングによって薄膜作成が行われる半導体ウェーハ等の基板は、多くの場合、微細なホールを有しており、微細なホール内に薄膜を作成することが必要になってきている。例えば、２５６メガビット〜１ギガビットＤＲＡＭ（ＤｙｎａｍｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）では、デザインルールで幅又は直径が０．２５μｍ〜０．１８μｍ程度の溝又は穴（本明細書ではホールと総称する）に対して成膜することが必要になってきている。

このようなホール内への成膜にスパッタリングを利用するものとして、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が従来から知られている。図６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６に示す高温リフロースパッタリング装置は、排気系４１を備えたスパッタチャンバー４と、スパッタチャンバー４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４２と、ターゲット４２をスパッタするためのスパッタ電源４３と、スパッタによって放出されたターゲット４２の材料が到達するスパッタチャンバー４内の所定位置に基板９を配置するための基板ホルダー４４と、スパッタチャンバー４内に所定のスパッタ放電用ガスを導入する放電用ガス導入系４５と、基板９を所定温度に加熱するよう基板ホルダー４４内に設けられたヒータ４４１を備えている。

ターゲット４２はアルミニウム等の金属製であり、絶縁材４２１を介してスパッタチャンバー４に取り付けられている。スパッタ電源４３は、ターゲット４２に負の高電圧を印加するよう構成されている。アルゴン等のスパッタ放電用ガスが放電用ガス導入系４５によってスパッタチャンバー４に導入され、ターゲット４２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４４やスパッタチャンバー４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４２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に到達して所定の金属材料の薄膜を堆積する。尚、この装置でのターゲット４２と基板９の距離は６０ｍｍである。
一方、ヒータ４４１からの熱は基板ホルダー４４を経由して基板９に与えられ、基板９は所定の温度に加熱される。基板９の表面に堆積した薄膜は、基板９の熱によってリフロー（流動化）し、微細なホール内に流れ込む。この結果、ホールに金属材料が埋め込まれ、基板９の表面が平坦化される。
特開平０８−１０７０６９号公報特開平０９−２２８０４０号公報

上述した従来の高温リフロースパッタリングにおいて、基板は４００℃から５００℃程度まで加熱される。成膜時の基板の温度（以下、成膜温度）が高いほど金属材料の流動性が高まり、容易にホールに金属材料を埋め込むことができる。
しかしながら、このような高い温度で処理を行うことにより、金属材料の結晶成長が速くなり、グレインサイズが大きくなる。グレインサイズが大きくなると、作成した薄膜の表面に凹凸ができ、後工程のフォトリソグラフィの際のアライメントがしづらくなる問題がある。また、グレインサイズが大きくなると、エレクトロマイグレーションの問題も顕在化してくる。

また、多層配線構造を採るデバイスの製造では、シリコン基板上に第一層の配線としてアルミニウム膜がすでに作成されている場合がある。この場合、第二層の配線のためにアルミニウムの高温リフロースパッタリングを行うと、すでに作成されている第一層のアルミニウム膜とシリコンとの界面において４００℃から５００℃程度の温度でこれらが溶け合う。そして冷却されることによりアルミニウムとシリコンは共晶し、アルミニウム−ケイ素合金となる「アルミの消失」が生じる。このようなアルミの消失により、回路の断線や配線抵抗の増加等の欠陥や不良がもたらされることになる。

このような、問題が生じないようにするには、４００℃以下で高温リフロースパッタリングをすることが考えられる。しかしながらこのような４００℃以下の低い温度例えば２００℃程度で高温リフロースパッタリングを行った場合、金属材料を十分にリフローさせることができないため、ホール内にボイドと呼ばれる空洞が発生してしまう。ホール内にボイドが生じると、回路は断線したり、配線抵抗が増加してしまう等の欠陥や不良を招いてしまう。

本願の発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、より低い温度で基板を加熱した場合でも金属材料を十分にホールに埋め込むことができる高温リフロースパッタリングの技術を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため本発明は、セパレーションチャンバーと、前記セパレーションチャンバーの周囲に気密に接続され、大気側との間で基板の出し入れが行われる際に基板が一時的に滞留するチャンバーであるロードロックチャンバーと、前記セパレーションチャンバーの周囲に気密に接続された複数の処理チャンバーとを備えた、基板の表面に形成された微細な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装置であって、前記複数の処理チャンバーのうち１つはスパッタリングチャンバーであり、前記スパッタリングチャンバーは、前記スパッタリングチャンバー内を排気する排気系と、基板を保持するための基板ホルダーと、前記基板を前記基板ホルダーに静電吸着させるための静電吸着機構と、前記静電吸着機構を制御する制御部と、前記基板ホルダー内に設けられた前記基板を加熱するためのヒータと、ターゲットを保持するためのターゲットホルダーとを備え、前記制御部は、前記ヒータの動作中に、前記基板のホールの側面及び底面に金属材料の薄膜を作成する第１の工程においては前記静電吸着機構を動作させずに基板と基板ホルダーとの間の熱伝達効率が悪い状態とし、前記第１の工程の後の、金属材料の薄膜をさらに堆積させてリフローさせることで前記基板上のホールに前記金属材料を埋め込む第２の工程においては、前記静電吸着機構を動作させて基板と基板ホルダーとの間の熱伝達効率を向上させる制御を行い、前記セパレーションチャンバーは、表面がセパレーションチャンバーの内部空間に露出するように設けられた冷却パネルと、前記冷却パネルを１３０Ｋ〜５０Ｋに冷却する冷凍機とを備え、前記冷却パネルは表面に腐蝕防止加工が施されている、ことを特徴とする。
さらに本発明は、セパレーションチャンバーと、前記セパレーションチャンバーの周囲に気密に接続され、大気側との間で基板の出し入れが行われる際に基板が一時的に滞留するチャンバーであるロードロックチャンバーと、前記セパレーションチャンバーの周囲に気密に接続された複数の処理チャンバーとを備えた、基板の表面に形成された微細な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装置であって、前記複数の処理チャンバーのうち２つは第１及び第２のスパッタリングチャンバーであり、前記第１のスパッタリングチャンバーは、前記第１のスパッタリングチャンバー内を排気する排気系と、基板を保持するための基板ホルダーと、ターゲットを保持するためのターゲットホルダーとを備え、前記第１のスパッタリングチャンバーにおいて、前記基板のホールの側面及び底面に金属材料の薄膜を作成する第１の工程が行われ、前記第２のスパッタリングチャンバーは、前記第２のスパッタリングチャンバー内を排気する排気系と、基板を保持するための基板ホルダーと、前記基板を前記基板ホルダーに静電吸着させるための静電吸着機構と、前記基板ホルダー内に設けられたヒータと、ターゲットを保持するためのターゲットホルダーとを備え、前記静電吸着機構制御部はリフローさせることで前記基板上のホールに金属材料を埋め込む工程において、前記ヒータの動作中に静電吸着機構を動作させて基板と基板ホルダーとの間の熱伝達効率を向上させる制御を行い、前記セパレーションチャンバーは、表面がセパレーションチャンバーの内部空間に露出するように設けられた冷却パネルと、前記冷却パネルを１３０Ｋ〜５０Ｋに冷却する冷凍機とを備え、前記冷却パネルは表面に腐蝕防止加工が施されている、ことを特徴とする。

以下に説明するとおり、本願の請求項１又は３の発明によれば、より低い温度で基板を加熱した場合でも金属材料を十分にホールに埋め込むことができる。このため、高温処理を行う際に発生するグレインサイズの増大等の問題を回避しつつ、ホール内への金属材料の埋め込みを効果的に行うことができる。さらに、セパレーションチャンバー内の残留不純ガスが効果的に除去されるので、スパッタチャンバーにおける高温リフロースパッタリングの品質をさらに高めることができる。
請求項１の発明によれば、一つのスパッタチャンバー内で第１の工程と第２の工程とが行えるので、スパッタチャンバーが一つで済み、装置のコストが安くなる。
請求項３の発明によれば、第１の工程と第２の工程とが別のスパッタチャンバーで行われるので、タクトタイムを短くできるため、生産性の向上が望める。
請求項２及び４の発明によれば、冷却パネルに腐食防止の加工が施してあるため、セパレーションチャンバー内の水分を除去し続けたとしても、腐蝕が生じることがない。

以下、本願発明の実施の形態について説明する。
図１は、本願発明の実施の形態である高温リフロースパッタリング装置の構成を説明する平面概略図である。
図１に示す高温リフロースパッタリング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の周囲に気密に接続された複数の処理チャンバー２，３，４，８，８１及び二つのロードロックチャンバー５からなるチャンバー配置になっている。各チャンバー１，２，３，４，５，８，８１は専用又は兼用の不図示の排気系を備えており、所定の圧力まで排気されるようになっている。各チャンバー同士の接続箇所には、ゲートバルブ６が設けられている。

セパレーションチャンバー１内には、チャンバー間で基板９の搬送を行うための搬送機構として搬送ロボット１１が設けられている。搬送ロボット１１は、多関節ロボットが使用されている。この搬送ロボット１１はいずれか一方のロードロックチャンバー５から基板９を一枚ずつ取り出し各処理チャンバー２，３，４，８，８１に送って順次処理を行い、最後の処理を終了した後、いずれか一方のロードロックチャンバー５に戻すようになっている。
そして、ロードロックチャンバー５の外側にはオートローダ７が設けられている。オートローダ７は大気側にある外部カセット６２から基板９を一枚ずつ取り出し、ロードロックチャンバー５内のロック内カセット５１に収容するようになっている。
複数の処理チャンバー２，３，４，８，８１のうち一つは、基板９の表面のホールを高温リフロースパッタリングによって埋め込むスパッタチャンバー４である。この他は、スパッタリングの前に基板９を予備加熱するプリヒートチャンバー２、スパッタリングの前に基板９の表面の自然酸化膜又は保護膜を除去するための前処理エッチングを行う前処理エッチングチャンバー３、高温リフロースパッタリングによる成膜の前に下地膜を作成する下地膜作成チャンバー８である。

図２は、図１に示す高温リフロースパッタリング装置におけるスパッタチャンバー４の正面断面概略図である。図２を用いてスパッタリング装置の主要部をなすスパッタチャンバー４の説明を行う。
スパッタチャンバー４は、ゲートバルブ６を備えた気密な容器で、電気的には接地されている。そして、スパッタチャンバー４内は、排気系４１により、１０^-8〜１０^-9Ｔｏｒｒ程度に排気されるよう構成されている。排気系４１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を備え、バリアブルオリフィス等の不図示の排気速度調整器が設けられている。
スパッタチャンバー４には、所定のスパッタ放電用ガスを導入する放電用ガス導入系４５が設けられており、アルゴン等のスパッタ率の高いガスをチャンバー内に所定の流量で導入できるようになっている。具体的には、放電用ガス導入系４５は、アルゴン等のスパッタ放電用のガスを溜めたガスボンベ４５１と、スパッタチャンバー４とガスボンベ４５１をつなぐ配管４５２と、配管４５２に設けたバルブ４５３や流量調整器４５４とから主に構成されている。

スパッタチャンバー４内には、被スパッタ面を露出させるようにして、ターゲット４２が設けられている。ターゲット４２は、基板９の表面のホール内に埋め込む金属材料、例えばアルミニウムで形成されている。ターゲット４２はターゲットホルダー４２１及び絶縁体４２２を介してスパッタチャンバー４の上部の開口を気密に塞ぐようスパッタチャンバー４に取り付けられている。
ターゲット４２をスパッタするためのスパッタ電源４３が、ターゲット４２に接続されている。スパッタ電源４３は、４００〜６００Ｖ程度の負の直流電圧をターゲット４２に印加するよう構成されている。放電用ガス導入系４５によってガスが導入された状態でこのスパッタ電源４３が動作すると、ガスに放電が生じターゲット４２がスパッタされるようになっている。尚、ターゲット４２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、ガスが導入されない場合もある。

ターゲット４２の背後には、磁石機構４８が設けられている。磁石機構４８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４８は、中心磁石４８１と、中心磁石４８１を取り囲む周状の周辺磁石４８２と、中心磁石４８１及び周辺磁石４８２を固定した板状のヨーク４８３とから構成されている。中心磁石４８１と周辺磁石４８２との間には、ターゲット４２を貫通するアーチ状の磁力線４８４が設定される。この磁力線４８４とターゲット４２の被スパッタ面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４３によって設定される直流電界の向きはターゲット４２の被スパッタ面に垂直である。従って、アーチ状の磁力線４８４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４２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。

また、スパッタチャンバー４内には、スパッタによって放出されたターゲット４２の材料が到達する位置に基板９を載置するための基板ホルダー４４が設けられている。基板ホルダー４４の内部には、抵抗加熱方式等のヒータ４４１が埋設されている。ヒータ４４１としては、輻射加熱方式のヒータを基板ホルダー４４内に設けることも可能である。
基板ホルダー４４には、基板９を熱接触性よく接触させるための静電吸着機構４９が設けられている。静電吸着機構４９は、基板ホルダー４４の一部として設けられた誘電体ブロック４９１内に埋設された吸着電極４９２と、吸着電極４９２の間に直流電圧を印加する吸着用電源４９３とから主に構成されている。

誘電体ブロック４９１は、基板ホルダー４４に対して密着性よく接合されている。この誘電体ブロック４９１の表面は、基板９が載置される載置面であり、この表面には複数の凹部４９４が形成されている。そして、この凹部４９４に昇圧用ガスを導入する昇圧用ガス導入系４９５が接続されている。
吸着用電源４９３は、例えば２００〜８００Ｖ程度の電圧を一対の吸着電極４９２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４９１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４９１に静電吸着される。この結果、基板ホルダー４４に対する基板９の密着性が向上し、ヒータ４４１による熱が効率よく基板９に伝わる。
また、昇圧用ガス導入系４９５により凹部４９４にガスが導入される結果、凹部４９４の圧力が上昇する。このため、基板ホルダー４４と基板９との間の熱伝達効率が向上し、基板９の加熱効率が高められる。昇圧用ガス導入系４９５は、熱伝達効率の良いヘリウム等のガスを導入するようになっている。
さて、本実施形態の装置の大きな特徴点は、基板ホルダー４４に、ターゲット４２と基板９との距離を変えるための距離変更機構４６が備えられている点である。具体的に説明すると、基板ホルダー４４は支柱４４２によって支えられている。距離変更機構４６は、この支柱４４２の下端を保持した保持板４６３と、保持板４６３を固定した被駆動体４６４と、被駆動体４６４を駆動するボールネジ４６１と、このボールネジ４６１を回転させるモータ４６２とから主に構成されている。

被駆動体４６４は、ボールネジ４６１の外径に適合した内径を有する筒状の部材である。被駆動体４６４の内面は、精度よくねじ切りされており、ボールネジ４６１にかみ合っている。また、被駆動体４６４は、不図示の回転止めによって回転しないようになっている。
モータ４６２によってボールネジ４６１が回転すると、この回転の力は被駆動体４６４に伝えられる。被駆動体４６４は、不図示の回転止めにより回転しないようになっているため上下動のみ行う。この結果、被駆動体４６４に固定された保持板４６３を介して支柱４４２が上下動し、これに伴い基板ホルダー４４も上下動するようになっている。また、ターゲット４２はスパッタチャンバー４内に固定されているため、上記のような距離変更機構４６の動作により基板ホルダー４４に載置された基板９とターゲット４２との距離を変えることができるようになっている。

本実施形態の装置では、装置全体を制御する不図示の制御部が設けられている。そして、この制御部は、距離変更機構４６やスパッタ電源４３などの各構成部分を制御するよう構成されている。
本実施形態における距離変更機構４６及びこれを制御する不図示の制御部は、本実施形態の装置が二段階成膜を行うことに関連して設けられている。二段階成膜は、高温リフロースパッタリングを行う際の基板の温度（以下、成膜温度）を下げる試みの中で本願の発明者が見出した手法である。この点を図３及び図４を使用して説明する。図３は二段階成膜を行わずに成膜温度を下げた場合の問題点を示した図、図４は二段階成膜を行った場合の成膜状況を示す図である。

まず、図３を用いて二段階成膜を行わない場合について説明する。高温リフロースパッタリングは、前述したように、ホール９０が形成された基板９の表面にスパッタリングによって薄膜を堆積させ、基板９を加熱して薄膜をリフローさせてホール内に埋め込む手法である。この際、リフローした薄膜（以下、リフロー薄膜）９１は、界面張力等の影響でホール９０の開口の縁に留まる傾向がある。この場合、図３（Ａ）に示すように、リフロー薄膜９１が、図３（Ａ）に示すように、開口の縁にリフロー薄膜９１が盛り上がるようにして滞留する。また、ホール９０の内面にも当初薄膜が堆積するが、基板９が高温に晒される結果、この薄膜はホール９０の側面の部分で途切れてしまう。
そして、スパッタリングを続けて薄膜の堆積量を増加させても、開口の縁に盛り上がって滞留するリフロー薄膜９１が増えるのみで、ホール９０内には流れ込まない。この結果、開口がリフロー薄膜９１によって塞がれ、外見的にはホール９０内への金属材料の埋め込みが完了したように見えても、図３（Ｃ）に示すように、ホール９０内にボイドと呼ばれる空洞９２が生じてしまう。ボイド９２が形成されると、金属材料が配線として埋め込まれる場合、配線は断線され、致命的な素子欠陥を招いてしまう。

成膜温度をある程度まで高くすると、リフロー薄膜９１の流動性が高められるので、ホール９０の開口の縁に滞留するリフロー薄膜９１をホール９０内に流し込むことができ、これによって、上記ボイドの形成をある程度抑制することができる。しかしながら、成膜温度を高くすることは、グレインサイズの増大等の上述した問題を招く。
ボイド９２の発生を防止するには、ホール９０の開口の縁の部分におけるリフロー薄膜９１の滞留を防止すればよい。リフロー薄膜９１の滞留は、リフロー薄膜９１自体の界面張力に起因するものであるが、下地表面との親和性（濡れ性）の影響も大きいと考えられる。即ち、リフロー薄膜９１は例えばアルミニウム等の金属であり、ホール９０の表面はシリコンや酸化シリコン等の異なる材料である。異なる材料の表面に対しては一般的に親和性が低く、表面に沿って流れにくい。リフロー薄膜９１が同じ材料の表面を流れるのであれば、親和性が高いので、ホール９０の開口の縁の部分での滞留も少なくできる筈である。

リフロー薄膜９１が同じ材料の表面を流れるようにするには、ホール９０内の表面にそれと同じ材料の薄膜を予め形成しておけばよい。このような考え方から、本願の発明者は、高温リフロースパッタリングの二つの工程に分け、図４（Ａ）に示すように、最初にホール９０の内面に金属材料の薄膜９３を薄く作成する第一の工程（以下、この工程で作成された膜を「ベース薄膜」と呼ぶ）を行い、第一の工程の後、図４（Ｂ）（Ｃ）に示すように、金属材料の薄膜をさらに堆積させ、基板９の温度を上げリフローさせることでホール９０内に金属材料を埋め込む第二の工程を行う二段階成膜の手法を完成させた。
上記第一の工程では、成膜温度を低くし、堆積したベース薄膜９３がリフローしないようにすることが肝要である。もしベース薄膜９３がリフローする程度に成膜温度を高くしてしまうと、図３（Ａ）に示すのと同様に、ホール９０の側面でベース薄膜９３に途切れが生じてしまう。途切れが生ずると、リフロー薄膜９１がホール９０の下地表面の上を流れなければならなくなるので、流動性が低下し、ボイド発生の原因となり易い。

本実施形態の装置の大きな特徴は、上記二段階成膜の第一の工程において、ターゲット４２と基板９の距離（以下、ＴＳ距離と呼ぶ）を従来の距離よりも長くしている点である。具体的には、制御部は、距離変更機構４６のモータ４６２を動作させて、第一の工程では基板ホルダー４４とターゲット４２との距離が長い第一の距離となるよう制御し、第二の工程では基板ホルダー４４とターゲット４２の距離が第一の距離より短い第二の距離になるよう制御するものになっている。

図５を用いて、ＴＳ距離を変化させたときの状況について説明する。図５は、ＴＳ距離を変化させたときの概略図である。
ターゲット４２と基板９の距離をＬ１からＬ２へと長くした場合、ホール９０内の一点Ｐから見ることのできるターゲット４２の被スパッタ面の面積は、Ｌ１に比べてＬ２の場合の方が大きくなる（Ｓ１＜Ｓ２）。ターゲット４２の被スパッタ面の面積（Ｓ１，Ｓ２）は、ホール内の一点Ｐに到達することが可能なスパッタ粒子の放出部分の面積であるから、Ｌ１に比べてＬ２の場合の方が点Ｐに到達するスパッタ粒子の量が多くなり、成膜速度が高くなる。ホール９０内の他の点でも同じであり、ＴＳ距離が長くなるとその点へのスパッタ粒子の到達量が多くなり、その点の成膜速度が高くなる。つまり、ＴＳ距離を長くすることによってホール９０の内面への成膜速度を高くすることができる。

本実施形態では、上記観点から、第一の工程においてＴＳ距離を長くしてホール９０の内面への成膜速度を高くしている。成膜速度を高くすると、第一の工程においてベース薄膜９３を厚く作成することができる。発明者の研究によると、ベース薄膜９３の厚さを厚くすると、第二の工程でより低い温度で処理してもボイドの発生のない埋め込みが可能であることが判明した。例えば、アスペクト比３のホール内にアルミニウムを埋め込む場合、第一の工程において、ベース薄膜９３をホール９０の内面（側面及び底面）に３００オングストローム程度の厚さで作成しておくと、第二の工程で薄膜を堆積させながら基板９を３８０℃の比較的低い温度で加熱しながらリフローさせた場合でも、ボイドの発生は観察されなかった。

上記のように成膜温度を低くできる原因については、一概に言えないが、第二の工程におけるリフロー薄膜９１の流動性がベース薄膜９３の膜厚に依存しているものと推察される。即ち、下地であるベース薄膜９３が厚い方がその上でリフロー薄膜９１が流動し易いと推察される。また、ベース薄膜９３が薄い場合、第二の工程で基板９が加熱された際、リフロー薄膜９１が流動してくる前にベース薄膜９３が流動してしまい、図３（Ａ）に示すような途切れが生じてしまうことがあるとも推察される。

いずれにしても、本実施形態の装置では、第一の工程においてＴＳ距離を長くしてホール９０の内面に厚いベース薄膜９３を作成するので、第二の工程で比較的低い温度で高温リフロースパッタリングを行うことができる。尚、第二の工程でＴＳ距離を長くすることはあまり好ましくない。というのは、ＴＳ距離を長くすると、ターゲット４２から放出されるスパッタ粒子のうち基板９に到達するスパッタ粒子の量が少なくなってしまうので、全体の成膜の効率が低下する問題がある。第二の工程では、薄膜をリフローさせてホール９０内に埋め込むようにしているのであるから、ホール９０内への成膜速度を第一の工程のように高める必要はない。不必要にＴＳ距離を長くして成膜の効率を低下させることは、好ましいとはいえない。

また、第一の工程では、成膜時のスパッタチャンバー４内の圧力（以下、成膜圧力）を通常のスパッタより低くすることが好ましい。圧力が高い場合、ターゲット４２から基板９へのスパッタ粒子飛行空間に存在するガス分子の数が多いので、ターゲット４２から放出されるスパッタ粒子の多くがガス分子に散乱される。基板９のホール９０以外の面には散乱されても多くのスパッタ粒子が到達できるが、スパッタ粒子の散乱が多いと、ホール９０内に到達できるスパッタ粒子の量が少なくなる。この結果、ホール９０の内面への成膜速度が相対的に低下してしまう。そこで、第一の工程では、通常より成膜圧力を低くし、ホール９０めがけて飛行するスパッタ粒子が散乱されないようにする。これにより、ホール９０の内面への成膜速度が相対的に高くなり、ホール９０の内面に厚いベース薄膜９３を作成することができる。具体的には、第一の工程では、１ｍＴｏｒｒ以下の成膜圧力にすると好適である。

上述した二段階成膜の点も含め、スパッタチャンバー４内での動作について説明する。基板９はスパッタチャンバー４内に搬入され、基板ホルダー４４の上に載置される。スパッタチャンバー４内は予め１０^-8〜１０^-9Ｔｏｒｒ程度まで排気されており、この状態で放電用ガス導入系４５によってスパッタチャンバー４内にスパッタ放電用ガスが導入される。排気系４１の不図示の排気速度調整器及び放電用ガス導入系４５の流量調整器４５４を制御して、スパッタチャンバー４内を第一の工程の成膜圧力である０．８〜１．５ｍＴｏｒｒ程度の圧力に保つ。

そして、スパッタ電源４３が動作し、第一の工程のスパッタリングが行われる。この際、前述した通り、不図示の制御部は距離変更機構４６を動作させて基板ホルダー４４を所定の下降位置に予め位置させており、ＴＳ距離を長くしている。また、基板ホルダー４４内のヒータ４４１が常時動作しているものの、静電吸着機構４９及び昇圧用ガス導入系４９５は動作させないでおく。従って、ヒータ４４１から基板９への熱伝達効率は悪く、基板９の温度は１００〜１５０℃程度の低い温度に維持される。第一の工程のスパッタリングによって、前述した通りベース薄膜９３が作成される。ベース薄膜９３の厚さは２００〜４００オングストローム程度である。尚、第一の工程においては、スパッタ電源４３によるターゲット４２への投入電力は１８〜２０ｋＷ程度と通常より高い。これは、ＴＳ距離を長くすることによる全体の成膜効率の低下を補償するためと、基板９がヒータ４４１によってあまり加熱されないうちに短時間に成膜を終了するためにである。

次に、第二の工程を行う。即ち、不図示の制御部は距離変更機構４６を動作させて基板ホルダー４４を所定の上昇位置に位置させＴＳ距離を短くする。ほぼ同時に、静電吸着機構４９及び昇圧用ガス導入系４９５を動作させて基板ホルダー４４から基板９への熱伝達効率を向上させて基板９の温度を高くする。そして、スパッタ電源４３を動作させてスパッタリングを継続し、ベース薄膜９３の上にさらに薄膜を堆積させる。堆積した又は堆積しつつある薄膜は、基板９の熱によってリフローしてリフロー薄膜９１となり、ホール９０の内面に流れ込む。この結果、ホール９０内に金属材料が埋め込まれる。
尚、この第二の工程の際、スパッタ電源４３によるターゲット４２への投入電力は第一の工程より低く２〜４ｋＷ程度である。これは、成膜速度をあまり高くすることなく、少しずつ薄膜を堆積させてリフローさせた方がホール９０内の埋め込み特性が良いという事情に基づく。また、第一の工程から第二の工程に移る際、スパッタ電源４３の動作をいったん止めてから電力を低下させてもよいが、動作を止めずに電力を低下させてもよい。

次に、図１に戻り、本実施形態の高温リフロースパッタリング装置の他の構成について説明する。
図１に示す前処理エッチングチャンバー３は、成膜に先だって基板９をエッチングして基板９の表面の自然酸化膜や保護膜を除去するよう構成されている。前処理エッチングチャンバー３は、内部にプラズマを形成し、プラズマ中のイオンを基板９の表面に衝突させて自然酸化膜や保護膜をエッチング除去するようになっている。
また、プリヒートチャンバー２は、成膜に先だって基板９を加熱して、基板９の吸蔵ガスを放出させるよう構成されている。この吸蔵ガスの放出を行わない場合、成膜時の熱により吸蔵ガスが急激に放出され、発泡によって膜の表面が粗くなる問題がある。プリヒートチャンバー２内には、所定の温度に加熱維持される不図示のヒートステージが設けられている。基板９はこのヒートステージに載置され、所定の温度に加熱されることによりプリヒートされる。
下地膜作成チャンバー８は、高温リフロースパッタリングの前に下地膜としてチタン薄膜を作成するようになっている。下地膜作成チャンバー８は、スパッタリングによってこの下地膜を作成するようになっており、チタン製のターゲットを備えている他は、図２に示すスパッタチャンバー４とほぼ同様の構成である。尚、スパッタチャンバー４での作成された高温リフロースパッタリング膜の上に反射防止膜を作成する場合があり、この場合は、他の処理チャンバー８１のうちの一つは反射防止膜作成チャンバーとされる。反射防止膜作成チャンバーは、窒化チタン薄膜を反射防止膜としてスパッタリングにより作成するよう構成される。

また、セパレーションチャンバー１には、前述したように不図示の排気系が設けられている。この排気系は、クライオポンプ等を備えた排気系であり、セパレーションチャンバー１内はこの排気系によって１０^-8〜１０^-9Ｔｏｒｒ程度まで排気できるよう構成されている。このような排気によって、セパレーションチャンバー１内の雰囲気は清浄に保たれるようになっている。しかしながら、高温リフロースパッタリングの品質を十分高く維持するため、本実施形態の装置は、セパレーションチャンバー１にさらに別の排気系を設けている。

上述した本実施形態の装置において、基板９はセパレーションチャンバー１を経由して各処理チャンバー２，３，４，８，８１へ搬送される。この際、セパレーションチャンバー１内に不純ガスがあると、基板９の表面にこの不純物は付着する。そして、付着した不純物により、スパッタチャンバー４における高温リフロースパッタリングが十分出来なくなる問題が生じる。
より具体的に説明すると、基板９の表面に水分子が付着すると、スパッタチャンバー４における成膜の際に、薄膜の密着性を阻害したり、薄膜を酸化させるなどの変性を生じたりする問題がある。さらに、スパッタチャンバー４での成膜の際に基板９に与えられた熱によって水分子が急激に蒸発し、発泡等によってベース薄膜９３の表面に凹凸を形成したり、ベース薄膜９３に孔を開けたりすることがある。このような凹凸や孔が形成されると、リフロー薄膜９１がうまく流れなくなり、ボイド発生の原因となる場合がある。

上記問題を未然に防止するため、本実施形態の装置は、セパレーションチャンバー１の内部空間に露出するようにして設けられたパネル１２と、パネル１２を冷却してセパレーションチャンバー１内の不純ガスをパネル１２の表面に凝縮させる冷凍機１３とを備えている。

パネル１２は、銅等の熱伝導性の高い材料からなる部材であり、図１に示すように、帯状の部材を円弧状に曲げたような形状である。図２から分かるように、パネル１２は水平な姿勢であり、その表面はセパレーションチャンバー１内に露出している。また、パネルが銅製である場合、表面の腐蝕防止のためＮｉ等のメッキ処理が行われたものが使用される。また、図１から分かるように、パネル１２は、二つのロードロックチャンバー５とプリヒートチャンバー２との境界部分の付近に位置している。

冷凍機１３は、セパレーションチャンバー１の外に設けられている。冷凍機１３には、例えばアネルバ（株）製のＣＲＣ４２０等が使用できる。冷凍機１３とパネル１２とは、セパレーションチャンバー１の壁を貫通させて設けた導熱ブロック１４によって接続されている。導熱ブロック１４は、銅等の熱伝導性の高い材料で形成されており、冷凍機１３が作る寒冷が効率よくパネル１２に伝わるようになっている。また、導熱ブロック１４とセパレーションチャンバー１の壁との間には不図示の断熱材が設けられており、冷凍機１３が作る寒冷がセパレーションチャンバー１の壁には伝わらないようになっている。

セパレーションチャンバー１内は前述した不図示の排気系によって排気されるが、それでもある程度の不純ガスが残留するのが避けられない。冷凍機１３が作る寒冷によってパネル１２が所定温度に冷却されると、セパレーションチャンバー１内の残留不純ガスがこのパネル１２に凝縮する。このため、基板９の表面への不純ガスの付着が抑えられる。
尚、パネル１２への不純ガスの凝縮量が多くなると、パネル１２の表面の温度低下が十分でなくなり不純ガスの凝縮効率が低下するので、所定時間パネル１２を使用したら、パネル１２の再生動作を行う。再生動作は、装置の運転を休止して行う。具体的には、不図示の排気系によってセパレーションチャンバー１内を高速排気しながら、パネル１２を加熱する。パネル１２の温度がある程度まで上昇すると、凝縮していた不純ガスはセパレーションチャンバー１内に放出され、不図示の排気系によってセパレーションチャンバー１から排出される。そして、パネル１２の表面は不純ガスのない元の清浄な表面となる。そして、セパレーションチャンバー１内を再度高真空排気した後、装置の運転を再開する。

パネル１２をどの程度まで冷却するかは、どの残留ガスを凝縮するかに直結するため、重要である。本実施形態では、冷凍機１３は、パネル１２を１３０Ｋ〜５０Ｋ程度に冷却するようになっている。この冷却温度は、セパレーションチャンバー１内の主に水分子を不純ガスとして凝縮させるために設定されている。これは、前述したように、高温リフロースパッタリングでは水分子の存在が特に問題となるからである。この水分子を吸着するために、１３０Ｋ以下に設定するのが望ましい。

また、パネル１２の冷却温度は、各処理チャンバー２，３，４，８，８１に導入されている処理用のガス（プロセスガス）までも凝縮しないように設定すべきである。各処理チャンバー２，３，４，８，８１内の圧力は、プロセスガスの流量と、排気系による実効的な排気速度により決まるため、パネル１２がプロセスガスまで凝縮してしまうと、これら各処理チャンバー内の圧力が不安定になってしまうからである。また、パネル１２が水分だけでなくプロセスガスも吸着してしまうと、パネル１２へのガスの凝縮量が短時間に多くなるので、パネル１２の再生動作を頻繁に行わなければならず、生産性低下の原因となる。プロセスガスとしては窒素やアルゴンが使用されることが多く、これを凝縮させないためには、パネル１２の冷却温度を５０Ｋ以上とすることが好ましい。従って、パネル１２を１３０Ｋ〜５０Ｋの範囲で温度コントロールすることがポイントである。

尚、パネル１２の表面（凝縮面）がロードロックチャンバー５とプリヒートチャンバー２の付近に位置することは、上記水分子の除去という観点から意義がある。即ち、セパレーションチャンバー１内で残留する水分子は、ロードロックチャンバー５を経由して大気側から進入したものか、プリヒートチャンバー２でのプリヒートの際に基板９から放出されてプリヒートチャンバー２からセパレーションチャンバー１に進入したものかであることが多い。その他のチャンバーから水分子が進入することは少ない。従って、ロードロックチャンバー５とプリヒートチャンバー２の付近にパネル１２の表面が位置する構成は、パネル１２の表面を大きくして熱効率を悪くすることなく必要な場所においてのみ不純ガスを凝縮するものとして意義がある。

次に、本実施形態の高温リフロースパッタリング装置の全体の動きについて説明する。
外部カセット６２に収容された基板９は、オートローダ７によってロードロックチャンバー５内のロック内カセット５１に搬入される。ロック内カセット５１に搬入された基板９は、セパレーションチャンバー１に設けられた搬送ロボット１１により、まずプリヒートチャンバー２に搬入される。プリヒートチャンバー２内に搬入された基板９は、不図示のヒートステージに載置され、所定の温度に加熱される。これによって基板９は予備加熱され、基板９中の吸蔵ガスが放出される。次に、基板９は前処理エッチングチャンバー３に搬送され、基板９の表面の自然酸化膜又は保護膜がエッチングされる。その後、基板９は下地膜作成チャンバー８に搬入され、下地膜としてチタン薄膜が薄く作成される。
そして、基板９はスパッタチャンバー４に搬入される。そして、スパッタチャンバー４内で上述した二段階成膜により高温リフロースパッタリングが行われ、基板９の表面のホールは金属材料が十分埋め込まれた状態で成膜が完了し、ホールの平坦化が成される。
その後、基板９はスパッタチャンバー４から搬出され、必要に応じて反射防止膜の作成や冷却等の処理がされた後、搬送ロボット１１によりロードロックチャンバー５内のロック内カセット５１に収容される。その後、ロック内カセット５１に所定数の処理済みの基板９が収容されると、オートローダ７が動作し、処理済みの基板９を外部カセット６２に搬出する。

次に、請求項６の発明に対応した実施形態について説明する。
上述した実施形態の装置では、スパッタチャンバー４は一つであり、このスパッタチャンバー４内で第一の工程と第二の工程とが連続して行われた。しかしながら、スパッタチャンバーを二つ設け、一方のスパッタチャンバーで第一の工程を行い、他方のスパッタチャンバーで第二の工程を行うようにすることができる。請求項６の発明はこの構成である。
具体的には、図１に示すスパッタチャンバー（以下、第一スパッタチャンバー）４の外に処理チャンバーの一つを別のスパッタチャンバー（以下、第二スパッタチャンバー）とする。第一スパッタチャンバーでは、上述したような距離変更機構４６は不要であり、基板ホルダーはＴＳ距離が前述した長い距離になるよう構成される。そして、第二スパッタチャンバーでは、基板ホルダーはＴＳ距離が前述した短い距離になるよう構成される。

また、第一スパッタチャンバーでは、基板９を加熱するヒータは特に必要とされないが、第二スパッタチャンバーでは、前述した実施形態におけるものと同様のヒータが設けられ、静電吸着機構４９や昇圧用ガス導入系４９５も同様に設けられる。
この実施形態では、同様に前処理エッチング及びプリヒートを行った後、基板９は第一スパッタチャンバーに搬入される。そして、第一スパッタチャンバーで第一の工程でベース薄膜を作成した後、基板９は第二スパッタチャンバーに搬入され、第二の工程が行われる。即ち、金属材料の薄膜をさらに堆積させてリフローさせ、ホール内に金属材料を埋め込む。この際、第一の工程の後、基板９が大気に取り出されることなく連続して第二の工程が行われる。従って、ベース薄膜の表面が酸化されたり表面に異物が付着したりして第二の工程でリフロー薄膜の流動性が低下する問題がなく、この点で好適である。
この実施形態のメリットは、第一の工程と第二の工程とが別のスパッタチャンバーで行われるので、タクトタイムを短くできる点である。従って、前述した実施形態で各処理チャンバーのうちスパッタチャンバー内での処理が最も時間を要している場合、この実施形態による生産性の向上が望める。但し、スパッタチャンバーが二つになるので、装置のコストとしては高くなる。逆に言うと、前述した実施形態は、装置のコストの点では有利である。

次に、上記実施形態における実施例について、二段階成膜を中心にして説明する。
まず、第一第二の工程に共通した条件は、以下の通りである。
・基板；直径２００ｍｍのシリコンウェーハ
・ホール；開口直径０．３μｍ，深さ１μｍ，アスペクト比３
・ターゲット；直径３００ｍｍのアルミニウム製

また、第一の工程としては、以下の条件が挙げられる。
・成膜圧力；１ｍＴｏｒｒ
・放電用ガス；アルゴン
・ガス流量；２０ｃｃ／分
・ターゲットへの印加電圧；−５００Ｖ
・ターゲットへの投入電力；１８ｋＷ
・ＴＳ距離；９０ｍｍ
・成膜温度；１００〜１５０℃
上記条件によると、成膜速度１００００オングストローム毎分程度でベース薄膜の作成ができ、１８秒程度スパッタリングを継続して３０００オングストローム程度の厚さでベース薄膜を作成する。

また、第二の工程としては、以下の条件が挙げられる。
・成膜圧力；１ｍＴｏｒｒ
・放電用ガス；アルゴン
・ガス流量；２０ｃｃ／分
・ターゲットへの印加電圧；−３００Ｖ
・ターゲットへの投入電力；３ｋＷ
・ＴＳ距離；６０ｍｍ
・成膜温度；４００℃
上記条件で第二の工程を行うと、１２０秒程度の処理時間でホール内にアルミニウムを埋め込むことができ、ボイドの発生は観察されない。

上述した構成及び動作に係る実施形態及び実施例において、距離変更機構４６は基板ホルダー４４を移動させてＴＳ距離を変更しているが、ターゲット４２を移動させるように構成してもよい。また、移動の方向は垂直方向に限られるものでない。基板９とターゲット４２が垂直な姿勢で向かい合う場合、移動の方向は水平方向になる。
また、高温リフロースパッタリングにおいては、スパッタリングを終了してから基板９を加熱して薄膜をリフローさせる場合がある。上述した実施形態及び実施例においても、第二の工程の終了後に基板９の加熱工程のみを行ってホール内に金属材料を埋め込むようにしてもよい。尚、上記実施例ではターゲット４２はアルミニウム製であったが、銅製のターゲット４２を使用して銅薄膜を作成する場合も同様に実施できる。また、アルミや銅の合金よりなるターゲットや他の金属材料のターゲットを使用する場合でも、同様に実施できる。

本願発明の実施の形態である高温リフロースパッタリング装置の構成を示す正面概略図である。図１に示す高温リフロースパッタリング装置におけるスパッタチャンバーの正面断面概略図である。二段階成膜を行わずに成膜温度を下げた場合の問題点を示した図である。二段階成膜を行った場合の成膜状況を示す図である。ＴＳ距離を変化させたときの概略図である。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セパレーションチャンバー
１１搬送機構としての搬送ロボット
２プリヒートチャンバー
３前処理エッチングチャンバー
４スパッタチャンバー
４１排気系
４２ターゲット
４３スパッタ電源
４４基板ホルダー
４４１ヒータ
４５放電用ガス導入系
４６距離変更機構
４８磁石機構
４９静電吸着機構
４９５昇圧用ガス導入系
５ロードロックチャンバー
６ゲートバルブ
７オートローダ
９基板
９０ホール
９１リフロー薄膜
９２ボイド
９３ベース薄膜

Claims

セパレーションチャンバーと、
前記セパレーションチャンバーの周囲に気密に接続され、大気側との間で基板の出し入れが行われる際に基板が一時的に滞留するチャンバーであるロードロックチャンバーと、
前記セパレーションチャンバーの周囲に気密に接続された複数の処理チャンバーとを備えた、基板の表面に形成された微細な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装置であって、
前記複数の処理チャンバーのうち１つはスパッタリングチャンバーであり、
前記スパッタリングチャンバーは、
前記スパッタリングチャンバー内を排気する排気系と、
基板を保持するための基板ホルダーと、
前記基板を前記基板ホルダーに静電吸着させるための静電吸着機構と、
前記静電吸着機構を制御する制御部と、
前記基板ホルダー内に設けられた前記基板を加熱するためのヒータと、
ターゲットを保持するためのターゲットホルダーとを備え、
前記制御部は、前記ヒータの動作中に、前記基板のホールの側面及び底面に金属材料の薄膜を作成する第１の工程においては前記静電吸着機構を動作させずに基板と基板ホルダーとの間の熱伝達効率が悪い状態とし、前記第１の工程の後の、金属材料の薄膜をさらに堆積させてリフローさせることで前記基板上のホールに前記金属材料を埋め込む第２の工程においては、前記静電吸着機構を動作させて基板と基板ホルダーとの間の熱伝達効率を向上させる制御を行い、
前記セパレーションチャンバーは、表面がセパレーションチャンバーの内部空間に露出するように設けられた冷却パネルと、
前記冷却パネルを１３０Ｋ〜５０Ｋに冷却する冷凍機とを備え、
前記冷却パネルは表面に腐蝕防止加工が施されている、
ことを特徴とする高温リフロースパッタリング装置。
前記冷却パネルは銅製であり、前記腐蝕防止加工はニッケルめっきであることを特徴とする請求項１に記載の高温リフロースパッタリング装置。
セパレーションチャンバーと、
前記セパレーションチャンバーの周囲に気密に接続され、大気側との間で基板の出し入れが行われる際に基板が一時的に滞留するチャンバーであるロードロックチャンバーと、
前記セパレーションチャンバーの周囲に気密に接続された複数の処理チャンバーとを備えた、基板の表面に形成された微細な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装置であって、
前記複数の処理チャンバーのうち２つは第１及び第２のスパッタリングチャンバーであり、
前記第１のスパッタリングチャンバーは、
前記第１のスパッタリングチャンバー内を排気する排気系と、
基板を保持するための基板ホルダーと、
ターゲットを保持するためのターゲットホルダーとを備え、
前記第１のスパッタリングチャンバーにおいて、前記基板のホールの側面及び底面に金属材料の薄膜を作成する第１の工程が行われ、
前記第２のスパッタリングチャンバーは、
前記第２のスパッタリングチャンバー内を排気する排気系と、
基板を保持するための基板ホルダーと、
前記基板を前記基板ホルダーに静電吸着させるための静電吸着機構と、
前記基板ホルダー内に設けられたヒータと、
ターゲットを保持するためのターゲットホルダーとを備え、
前記静電吸着機構制御部はリフローさせることで前記基板上のホールに金属材料を埋め込む工程において、前記ヒータの動作中に静電吸着機構を動作させて基板と基板ホルダーとの間の熱伝達効率を向上させる制御を行い、
前記セパレーションチャンバーは、表面がセパレーションチャンバーの内部空間に露出するように設けられた冷却パネルと、
前記冷却パネルを１３０Ｋ〜５０Ｋに冷却する冷凍機とを備え、
前記冷却パネルは表面に腐蝕防止加工が施されている、
ことを特徴とする高温リフロースパッタリング装置。
前記冷却パネルは銅製であり、前記腐蝕防止加工はニッケルめっきであることを特徴とする請求項３に記載の高温リフロースパッタリング装置。