JP5249328B2 - 薄膜の成膜方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体集積回路デバイス等における薄膜の成膜方法に関し、詳しくは開口幅又は開口径が３μｍ以下で、かつ、アスペクト比が１以上の段差であるトレンチやビアホールを有する基板上に薄膜を成膜する方法に関する。
従来より、半導体集積回路デバイス等の分野において、アスペクト比が１以上のトレンチやビアホールを有する基板に薄膜を成膜する技術が種々提案されている。
例えば、アスペクト比が１以上のトレンチやビアホールをリフローで埋め込む際に、反応性イオン化スパッタリングでトレンチ等の側壁部及び底部に窒化チタンのバリヤー膜を形成し、ボイドの発生を防止する技術が提案されている（特許文献１参照）。
また、基板近傍のプラズマの改質、ならびに段差部での水平膜と垂直膜との均質化と、垂直膜断面の形状制御とを可能にしたＥＣＲプラズマＣＶＤによる絶縁膜製造方法が提案されている（特許文献２参照）。この絶縁膜製造方法は、成膜工程とスパッタ工程とを交互に繰り返しながら成膜していく方法で、両工程間でＲＦバイアスの大きさを変え、スパッタ工程でエッチングガスを添加している。
さらに、ＰＶＤによって基板上にコンフォーマルな段差被覆性（ｓｔｅｐ ｃｏｖｅｒａｇｅ）を達成する方法が提案されている（特許文献３参照）。この方法は、スパッタ処理中に、ターゲットに供給する信号を負の電圧部分とゼロの電圧部分とで交互に切り替え、スパッタステップで底部に堆積した膜を、逆スパッタステップで底部から側壁に再配分する。この方法によれば、アスペクト比が５以上のコンタクトやビアの側壁及び底部のコンフォーマルな被覆性を達成することは可能である。
そして、半導体の高集積化に伴い、更に細いホールやトレンチに段差被覆性良く成膜する技術が必要となっている。例えば、ＥＣＲ−プラズマＣＶＤを使用し、微細で高アスペクト比のホール又はトレンチに段差被覆性よく、かつ、低温で二酸化シリコン系絶縁膜を形成する方法が提案されている（特許文献４参照）。
ところで、特許文献１のリフロー技術を用いてもボイドの低減は十分なものではなく、リフロー後の膜の平坦性は十分ではなく、平坦化のためにＣＭＰ（Ｃｈｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理を必要としていた。さらに、トレンチやビアホールの側壁に十分な膜厚のバリヤー膜を被覆することが難しい。特に、３００ｍｍ以上のウエハのように基板が大型化した場合には、その周辺部に位置するトレンチやビアホールの側壁をバリヤー膜で完全に被覆するは困難であるという問題があった。
特許文献２の技術では上記の問題を解決しうるが、ＥＣＲプラズマＣＶＤにより絶縁膜を形成しているため、原料ガスが限定されてしまう。原理的には成膜工程とスパッタ工程を同時に行うこともできるし、且つ各１回の成膜工程及びスパッタ工程で行うことも可能である。しかし、使用するガス種次第ではホールまたは溝中の平坦な部分と垂直な部分との内部応力差が生じてしまうため、原料ガスを変えて対応している。また、各１回の成膜工程及びスパッタ工程では成膜形状に不良が発生するため、種層といえる部分を成膜し、次に上記形状補正を行うことで形状不良を抑制する必要があり、最低２回の成膜工程及びスパッタ工程を要することになる。
特許文献３の技術では、アスペクト比が５程度の段差に第１の成膜工程で膜を成膜すると、内側壁により多くの巣や断層ができてしまう。これは段差による斜影効果によるものと考えられる。また、アスペクト比１程度の段差に第１の成膜工程で膜をつけると、内側壁により多くの巣や断層ができてしまう。これは、特許文献２よりＥＣＲ−ＣＶＤで成膜していることと、段差による斜影効果によるものと考えられる。さらに、開口が小さく、アスペクト比が大きくなると、第１の成膜工程で成膜する膜厚を薄くしても、内側壁の成膜により開口が狭くなり、スパッタするための粒子がホール又はトレンチに侵入しにくくなり、スパッタ作用が低下するという問題がある。
特許文献４の技術では、高アスペクト比のトレンチやビアホールに段差被覆性よく成膜できる限界は、トレンチやビアホールの開口幅又は開口径が幅３μｍ以上となっている。
本発明は、上記の事情に鑑み、開口幅又は開口径が３μｍ以下で、かつ、アスペクト比が１以上の段差であるトレンチやビアホールを有する基板上に成膜するに際し適用する。その際、本発明は、少なくとも各１回の成膜工程とエッチング工程で、トレンチやビアホールの内側壁に所望の膜厚の薄膜を段差被覆性良く成膜することができる薄膜の成膜方法を提供することを目的とする。
このような目的を達成するために、本発明は、真空排気可能な処理室であって、基板を支持する第１の電極と、前記基板に対向するように配され、ターゲットを支持する第２の電極とを備える処理室に処理ガスを導入し、前記第１および第２の電極のそれぞれに高周波電源から異なる電力を印可すると共に、前記第２の電極に磁場を生成してプラズマを発生させ、凹状段差を有する前記基板の上にターゲット物質を成膜する薄膜の成膜方法であって、前記段差の底部への薄膜堆積を行う第１工程と、前記段差の底部に堆積した薄膜を再スパッタして、前記段差の内側壁への成膜を行う第２工程とを有し、前記第２工程における前記処理室の圧力を前記第１工程における該圧力よりも低く設定し、かつ、前記第２工程における第２の電極に供給される電力に対する第１の電極に供給される電力の比を前記第１工程における該電力比よりも大きく設定することを特徴とする。
このような目的を達成するために、本発明は、真空排気可能な処理室であって、基板を支持する第１の電極と、前記基板に対向するように配され、ターゲットを支持する第２の電極とを備える処理室に処理ガスを導入し、前記第１および第２の電極のそれぞれに高周波電源から異なる電力を印可すると共に、前記第２の電極に磁場を生成してプラズマを発生させ、凹状段差を有する前記基板の上にターゲット物質を成膜する薄膜の成膜方法であって、前記段差の底部への薄膜堆積を行う第１工程と、前記段差の底部に堆積した薄膜を再スパッタして、前記段差の内側壁への成膜を行う第２工程とを有し、前記第２工程における前記処理室の圧力を前記第１工程における該圧力よりも低く設定し、かつ、前記第２工程における第２の電極に供給される電力に対する第１の電極に供給される電力の比を前記第１工程における該電力比よりも大きく設定することを特徴とする。
本発明に係る薄膜の成膜方法は、開口幅又は開口径が３μｍ以下で、かつ、アスペクト比が１以上の段差であるトレンチやビアホールを有する基板上に薄膜を成膜するに際して適用される。その際、第１工程でトレンチ又はビアホールの底部への薄膜を堆積し、第２工程でトレンチ又はビアホールの底部に堆積した薄膜を再スパッタして、トレンチ又はビアホールの内側壁への成膜を行う。したがって、少なくとも各１回の成膜工程と再スパッタ工程（エッチング工程）で、トレンチやビアホールの内側壁に所望の膜厚の薄膜を段差被覆性良く成膜することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
まず、図１から図３を参照して、本発明に係る薄膜の成膜方法を実施するプラズマ処理装置の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る薄膜の成膜方法を実施するプラズマ処理装置を例示する模式図である。図２は、図１に示すプラズマ処理装置の上壁（外側）における構造とその内側の構造を示す概略図である。図３は、基板の断面形状を示す概略図である。
図１及び図２に示すように、本実施形態では、基板１７上に薄膜を成膜するプラズマ処理装置として、例えば、マグネトロンスパッタリング装置を例示している。本実施形態のスパッタリング処理装置は、処理室として真空排気可能な反応容器１０を備え、反応容器１０内に、基板１７を支持する基板ホルダとしても機能するアノード電極（第１の電極）１５と、基板１７に対向するように配され、不図示のターゲットを支持するカソード電極（第２の電極）１１と、を備えている。該カソード電極１１は、トッププレートとも呼ぶ。このスパッタリング処理は、反応容器１０内の処理室に処理ガスを導入し、カソード電極１１及びアノード電極１５に高周波電源１９、８から異なる電力を印可すると共に、カソード電極１１にカスプ磁場を形成する。これにより、スパッタリング装置は、処理室にプラズマを発生させ、基板１７上にターゲット物質の薄膜を成膜する。
反応容器１０の排気ポート１８には、不図示のコンダクタンスバルブ等を介して排気ポンプ等の排気装置が接続されている。また、反応容器１０には、処理ガス（プロセスガス）の導入手段として、流量制御器やバルブなどを備えたガス導入系２５が接続され、このガス導入系２５から処理ガスが所定の流量で導入される（図４参照）。
本実施形態の処理ガスとしては、少なくともアルゴン（Ａｒ）やクリプトン（Ｋｒ）等の希ガス（不活性ガス）を含む単体または混合ガスを用いることができる。反応性スパッタリングを行う場合には、ＡｒやＫｒなどの希ガスと酸素及び窒素からなる反応性ガスとの混合ガスを用いることができる。反応性ガスは、酸素及び窒素からなるガス群より選択された少なくとも１種から選択して用いられる。
この反応容器１０は、トッププレート（カソード電極）１１と円筒型側壁１２とボトムプレート（基板ホルダ）１３とを備えている。円筒型側壁１２の下側部分１２ｂとボトムプレート１３とは、例えば、ステンレス鋼またはアルミニウム（Ａｌ）等の金属によって形成されている。円筒型側壁１２の上側部分１２ａは、セラミック（誘電体物質）によって形成されている。トッププレート１１は平板円形形状を呈し、例えば、Ａｌ等の非磁性金属によって形成されている。
トッププレート１１は、円筒型側壁１２の上側部分１２ａの上に搭載されているので、反応容器１０の他の部分から電気的に絶縁されている。トッププレート１１は、プラズマを生成するときにカソード電極として機能する。カソード電極１１は、整合回路２０を介して可変電圧を印可可能な高周波電源１９に接続されている。カソード電極１１には、高周波電源１９から必要な高周波電力が給電される。カソード電極１１の上（背面）には、複数のマグネット２１で構成された磁石機構が配置されている。この磁石機構を設けることによって、プラズマを高密度で形成することができる。この磁石機構は、典型的には、極性の異なる磁石を四角形の頂点毎に配置した構造であり、カスプ磁場（Ｃｕｓｐ Ｆｉｅｌｄ）を生成する。磁石機構の詳細については、後述する。
カソード電極１１の前面（下面、すなわち基板１７と対向する面）に支持されるターゲットの材料としては、例えばタンタル（Ｔａ）、銅（Ｃｕ）やチタン（Ｔｉ）等の単一組成のものを用いることができ、ＧｅＳｂＴｅやＮｉＦｅの様な２以上の組成からなる複合組成のものも用いることができる。ターゲット材料のうち、ＴａやＣｕは非磁性材料であり、一方、ＮｉＦｅは磁性材料である。
なお、円筒型側壁１２の上側部分１２ａと下側部分１２ｂとの直径は同じである。当該直径の値は重要な問題ではなく、４０ｃｍから６０ｃｍの間で変わり得る。また、それ以外の値であっても良い。円筒型側壁１２のセラミック部分１２ａの高さは同様にまた重要ではなく、１ｃｍから５ｃｍの範囲に存在する。それ以外の値であってもよいことは言うまでもない。円筒型側壁１２の下側部分１２ｂとボトムプレート１３とは接地線１４を介して電気的に接地されている。トッププレート１１の直径は、円筒型側壁１２の直径に相当する。
反応容器１０の内部空間には、ボトムプレート１３上に取り付けられたアノード電極１５として機能する基板ホルダ１５が配されている。この基板ホルダ１５は、例えば整合回路９を介して可変電圧を印可可能な高周波電源８に接続されている。この高周波電源８は反応容器１０の外側に配置されている。
反応容器１０内での処理対象となる基板１７は、静電吸着保持装置等の不図示の基板保持機構により基板ホルダ１５上に保持される。基板ホルダ１５は、ボトムプレート１３に平行に配置され、絶縁体１６によって反応容器１０から電気的に絶縁されている。基板ホルダ１５は、例えば、円板状の保持テーブルであって、静電吸着用電極等の不図示の保持機構を備えている。基板ホルダ１５は、その上面（表面）に基板１７を載置し、保持機構により基板１７はその処理面を上方へ臨ませて保持される。
なお、基板ホルダ１５は、モータ等の不図示の回転機構により、基板１７の面内方向に回転可能に形成してもよい。また、基板ホルダ１５には、ヒータ等の不図示の加熱機構を内蔵していることが好ましい。本実施形態の基板温度は、例えば、マイナス９０℃からプラス９００℃の温度範囲で設定することができる。
基板１７としては、例えば、半導体ウエハが挙げられ、基板のみの状態もしくはトレイに搭載された状態で、基板ホルダ１５に保持される。基板１７は、図３に示すように、開口幅又は開口径が３μｍ以下で、かつ、アスペクト比（深さ／開口幅又は開口径）が１以上の凹状段差であるトレンチ３１やビアホール３２を有している。以下、トレンチ３１やビアホール３２を単に段差と呼ぶこともある。トレンチ３１やビアホール３２は、底部３３及び内側壁３４を有している。基板１７としては、シリコンウエハなどの単結晶半導体基板、多結晶シリコン膜、微結晶シリコン膜やアモルファスシリコン膜などの非単結晶シリコン膜を持ったガラス基板、ＧａＡｓなどの化合物半導体基板を用いることができる。また、基板１７は、各種素子、例えば、トランジスタ、コンデンサー、光電変換素子が設けられたものであってもよい。
次に、図４から図７を参照して、トッププレート１１上に配置した磁石機構について詳細に説明する。図４は、本実施形態に係るプラズマ処理装置のマグネットの磁場を示すトッププレートの部分断面図である。図５は、本実施形態に係るマグネットの配列（Ｉ）を示すトッププレートの１／４領域の平面図である。図６は、本実施形態に係るマグネットの配列（ＩＩ）を示すトッププレートの１／４領域の平面図である。図７は、図５に示すマグネットとトッププレートとを有する磁石機構により発生するカスプ磁場を示す概念図である。
図４から図７に示すように、複数のマグネット２１がトッププレート１１の上に配置され、さらにトッププレート１１の外側表面に固定されている。マグネット２１は対称的な位置関係で配置されるので、図５及び図６では、トッププレート１１の１／４の領域だけが平面図の状態で示される。
マグネット２１は、トッププレート１１の内側にカスプ磁場２３を生成するように、トッププレート１１の外側表面の上に配置される。この場合、厳密に述べると、カスプ磁場２３は、４つのマグネット２１で決められるポイント・カスプ（ｐｏｉｎｔ−ｃｕｓｐ）磁界と呼ばれる。ここで、本明細書において、「ポイント・カスプ磁場」とは、図７に示すように隣接する４つのマグネット２１により閉じたカスプ磁場を形成することをいう。
ポイント・カスプ磁場を形成するためのただ１つの要求は、各々隣り合うマグネット２１がトッププレート１１に向かう極で反対の極性を持たなければならないということである。このことは反応容器１０の内側に向かうマグネットの極性が交互に変化するということを意味する。例えば、図５に示すように、トッププレート１１の上で点線によって描かれた四角形２２の各々の角部分（コーナー）に配置される。図５及び図６においてＮとＳはマグネット２１の磁気的極性を意味する。いかなる２つの隣り合うマグネット２１の間隔（距離）は重要なことではなく、マグネットの強さとトッププレート１１の直径に依存して２ｃｍから１０ｃｍの範囲で変えることができる。なお、それ以外の値であっても良いことは言うまでもない。
図４に示すように、マグネット２１の配列は、トッププレート１１の下側で、ポイント・カスプ磁場２３を、２つの隣り合う当該磁場２３の間に作られるカスプ２３ａと共に、作る。符号２３ｂは磁束線を示している。磁極から出た磁束線２３ｂは直接に最も近い反対の磁極に向かって曲がる。こうして、ポイント・カスプ磁場２３が形成される。トッププレート１１の内側表面の近くの空間において生成されたポイント・カスプ磁場２３は、ループを作るように閉じられた磁束線２３ｂを形成する。トッププレート１１の内側表面の近傍において、多くの磁束ループが形成され、その結果として磁界のカスプ２３ａが形成される。トッププレート１１上のマグネット２１によって形成された配列構造に依存してトッププレート１１の下側のプラズマの均一性が変化する。すなわち、カスプ磁場を形成するように配置したマグネット２１の配列構造により、トッププレート１１の下側に生成されるプラズマの均一性を制御することができる。
マグネット２１の形状は、好ましくは、断面の形状がそれぞれ四角と円である立方体または円柱体である。マグネット２１の各々はトッププレート１１の外側表面上に形成された穴の中に配置される。例えば、トッププレート１１の厚みはおよそ２０ｍｍであり、穴の深さはおよそ１７ｍｍである。したがって、マグネット２１の底の面は反応容器１０の内部空間に接近している。
マグネット２１の断面形状は円形または四角形である。もしマグネット２１の断面形状が円形であるならば、その直径は１０ｍｍから４０ｍｍの範囲の中に含まれる。しかしながら、直径の値は重要ではない。もしマグネット２１の断面形状が四角であるならば、円形断面形状を有するマグネットのそれらに相当する寸法が選択される。マグネット２１の高さは同様にまた重要ではなく、３ｍｍから１０ｍｍの範囲内にあることが好ましい。マグネット２１の磁気的強さはトッププレート１１の下側におよそ５０ガウス（Ｇａｕｓｓ）から５００ガウスの磁界の強さを持つように選択される。なお、該磁気的強さもこの範囲外であっても良いことは言うまでもない。
加えて図４に示すように、円形ガス通路２４がトッププレート１１の内部に形成される。円形ガス通路２４はガス導入系２５を通してガス供給源（図示されず）に結合されており、トッププレート１１の内側表面に複数のガス導入孔２６を有している。ガス供給源によって供給される処理ガス（プロセスガス）は円形ガス通路２４とガス導入孔２６とを通して反応容器１０の内部空間に導入される。処理ガスは第１に円形ガス通路２４に供給され、それからいくつかのガス導入孔２６を通して反応容器１０の処理室に導入される。
反応容器１０の内部圧力は、ガスの流速を調整すること、およびガス排気ポート１８に配置された良く知られた可変オリフィス（図示されず）を調整することによって制御される。反応容器１０の内部圧力（処理室の圧力）は、例えば、０．２Ｐａから２７Ｐａの範囲で変化される。本実施形態では、後述する本発明に係る薄膜の成膜方法において、第２工程の処理室の圧力が第１工程の処理室の圧力よりも低く設定される。なお、処理室の具体的な設定圧力については、本発明に係る薄膜の成膜方法の説明において詳述する。
本実施形態では、カソード電極１１に給電する高周波電源１９の周波数は、およそ１０ＭＨｚから３００ＭＨｚの範囲にある。一方、アノード電極１５に給電する高周波電源８の周波数は、およそ１ＭＨｚから１５ＭＨｚの範囲にある。
さらに、本実施形態では、後述する本発明に係る薄膜の成膜方法において、第２工程のカソード電力に対するアノード電力の比が、第１工程のカソード電力に対するアノード電力の比よりも大きくなるように設定される。なお、具体的な電力比の設定については、本発明に係る薄膜の成膜方法において詳述する。なお、アノード電極１５は接地した状態で使用しても構わない。
次に、前述のプラズマ源を備えた反応容器１０におけるプラズマ発生の機構を説明する。図４において、高周波電流１９ａが高周波電源１９からカソード電極１１に給電されるとき、高周波電力の静電的結合の機構によってプラズマが生成される。その時、プラズマにおける電子はカソード電極１１上に配置されるマグネット２１によって作られたポイント・カスプ磁場２３の存在に基づきサイクロトロン回転を受ける。このことは電子の通過路の長さを増大させ、それによってプロセスガスのより高いイオン化割合をもたらす。加えて、電子とイオンのカソード電極１１への衝突がポイント・カスプ磁場２３によって部分的に抑圧される。それ故に、カスプ磁場２３の存在はプラズマ密度の増大という結果をもたらす。
図９は、図７に示す隣接する４つのマグネット２１により閉じたカスプ磁場２３を形成した場合、磁界と電界、電界と磁界で作る垂直な面にサイクロトン回転し、運動する方向を示している。
図９は、図７に示す隣接する４つのマグネット２１により閉じたカスプ磁場２３を形成した場合、磁界と電界、電界と磁界で作る垂直な面にサイクロトン回転し、運動する方向を示している。
一般的に磁界が存在しない場合、２つの平行プレートの間に静電的結合の機構によって生成されたプラズマは、より高い半径方向の均一性を持つ。磁界が存在する場合においては、このプラズマ均一性は変化する。カソード電極１１上に配置されたマグネット２１はカソード電極１１の下側にポイント・カスプ磁場２３を形成する。カソード電極１１に平行に存在するカスプ磁場２３の強さが最大である場所においてプラズマ密度は最大である。同様にトッププレート１１に平行に存在するカスプ磁場２３の強さが最小であるところの場所ではプラズマ密度は低い。それ故に、カソード電極１１の近傍においてプラズマ密度は最大と最小となる。しかしながら、プラズマ密度のこれらの最大と最小は互いに接近しているので、下流側におけるカソード電極１１からより短い距離において拡散がプラズマの均一性を作る。さらに、マグネット２１は交互に反対の極性となるように配置されているので、ポイント・カスプ磁場２３の磁束線２３ｂはカソード電極１１の内側表面から近い距離で曲がる。それ故に、カソード電極１１からより近い距離において磁界がない環境が得られる。
均一なプラズマ密度を得る目的で、前述された構成とは異なる他のマグネット２１の配列を見出だすこともできる。例えば、カソード電極１１の中心部付近の２つの隣り合うマグネットの間の間隔を周辺部付近の隣り合う２つのマグネットの間隔よりも大きくすることができるし、あるいは、中央部におけるマグネットを取り除くこともできる。ここで、マグネット２１はカソード電極１１の周縁部分に接近した所のみに帯状に（バンドとして）配置されている。図６において、半径ｒ１はカソード電極（トッププレート）１１の半径であり、半径ｒ２はマグネットが配置されていない円形領域の半径である。これらの配列によって、トッププレート１１の中心部付近のマグネット２１の個数は周縁部に近い部分の個数よりも少なくなる。すなわち、トッププレート１１の中心部およびその周縁の磁束密度は、その周縁部に近い部分の磁束密度よりも低くなる。
次に、再び図１から図３及び図８Ａ、８Ｂを参照して、上記のプラズマ処理装置の作用と共に、本発明に係る薄膜の成膜方法について説明する。図８Ａ、８Ｂは、本発明に係る薄膜の成膜方法における成膜状況を示す概略説明図である。なお、本実施形態では、カソード電極１１に支持するターゲットとしてチタニウム（Ｔｉ）を用い、反応容器１０内に処理ガスとして、Ａｒを導入する。
即ち、本実施形態に係る薄膜の成膜方法では、まず、反応容器１０内を排気系により所定の真空度まで排気する。基板ホルダ（アノード電極）１５に内蔵された不図示のヒータに電力供給し、基板ホルダ１５を設定温度に加熱する。
次に、反応容器１０の側壁に配設された不図示のゲートバルブを開け、基板搬送経路を開放する。この状態で、ロボットアーム等の不図示の搬送アームを用いて、基板１７を基板ホルダ１５の上面へと搬送する。そして、不図示の保持機構により基板ホルダ１５に基板１７を保持させる。上記搬送アームを後退させた後、ゲートバルブを閉じる。
基板１７の表面温度が所定の温度（例えば、９００℃）に到達するまで加熱時間をおいた後、ガス導入系２５より所定の流量の処理ガスを導入する。また、不図示の排気系のコンダクタンスバルブ等により反応容器１０の内部を任意の圧力に調整する。
この処理ガスの導入下において、上記電極１１、１５に高周波電源１９、８から異なる電力を印可すると共に、カソード電極１１にカスプ磁場を生成してプラズマを発生させる。このプラズマを発生により、開口幅又は開口径３μｍ以下で、かつ、アスペクト比が１以上の段差であるトレンチ３１又はビアホール３２を有する基板１７の上にターゲット物質の薄膜を成膜する。
このように、本実施形態に係る薄膜の成膜方法は、開口幅又は開口径が３μｍ以下で、かつ、アスペクト比が１以上の段差であるトレンチ３１やビアホール３２を有する基板１７上に薄膜を成膜するに際して適用する。この薄膜を成膜するに際し、本実施形態に係るプラズマ処理装置は、トレンチ３１又はビアホールの底部３３への薄膜堆積を行う第１工程と、当該底部３３に堆積した薄膜を再スパッタして、トレンチ３１又はビアホール３２の内側壁３４への成膜を行う第２工程と、を行う。このトレンチ３１又はビアホール３２の内部を成膜する際に、上記の第１工程および第２工程は、この工程順序で少なくとも各１回以上実施する。
本実施形態では、第２工程の処理室の圧力を第１工程の処理室の圧力よりも低く設定する。具体的には、処理室の圧力を第１工程では２Ｐａから２７Ｐａの範囲で選択して設定し、第２工程では、第１工程よりも低い圧力である０．２Ｐａから２Ｐａの範囲で選択して設定する。なお、適切な圧力は応用のタイプによって決定される。
かつ、本実施形態では、第２工程のカソード電力に対するアノード電力の比（アノード電力／カソード電力）を第１工程のカソード電力に対するアノード電力の比よりも大きく設定する。第１工程ではカソード電力に対するアノード電力の比を０．５以下に設定し、第２工程ではカソード電力に対するアノード電力の比を１以上に設定することが望ましい。
上記の電力比の条件下において、カソード電極１１に給電する高周波電源１９の電力は３００Ｗから１００００Ｗの範囲で選択して設定し、アノード電極１５に給電する高周波電源８の電力は０Ｗから２０００Ｗの範囲で選択して設定する。具体的には、基板１７の径（サイズ）が８インチの場合、第１工程では、カソード電力は３００Ｗから５０００Ｗの範囲で設定し、アノード電力は０Ｗから６００Ｗで設定することが望ましい。一方、第２工程では、カソード電力は３００Ｗから８００Ｗで設定し、アノード電力は５００Ｗから１０００Ｗで設定することが望ましい。
また、基板１７の径（サイズ）が１２インチの場合、第１工程では、カソード電力は５００Ｗから１００００Ｗで設定し、アノード電力は０Ｗから１２００Ｗで設定することが望ましい。一方、第２工程では、カソード電力は５００Ｗから１０００Ｗで設定し、アノード電力は１０００Ｗから２０００Ｗで設定することが望ましい。
なお、アノード電力の下限（０Ｗ）から分かるように、アノード電極１５は接地した状態で使用しても構わない。
図８（Ａ）に示すように、第１工程では、トレンチ３１又はビアホール３２の底部３３への薄膜を堆積する。図８（Ｂ）に示すように、第２工程では、トレンチ３１又はビアホール３２の底部３３に堆積した薄膜を再スパッタして、トレンチ３１又はビアホール３２の内側壁３４への成膜を行う。したがって、少なくとも各１回の成膜工程とスパッタ工程（エッチング工程）とによって、内側壁３４に所望の膜厚の薄膜を段差被覆性良く成膜することができる。
トレンチ３１又はビアホール３２の底部３３の膜厚に対する内側壁３４の最小膜厚の比は０．５以下であることが好ましい。トレンチ３１又はビアホール３２の底部３３と内側壁３４に付着している薄膜の膜厚は、好ましくは１ｎｍから３０ｎｍである。
また、第２工程の時間を調整することで、トレンチ３１又はビアホール３２の底部３３と内側壁３４の膜厚を制御することが可能である。さらに、再スパッタ（エッチング）を主とした第２工程の時間を比較的長くすることで、第１工程で被覆された底部３３の膜を完全に取り除くことも可能である。このとき、底部３３からエッチングされた成分は、内側壁３４に再付着される。
所定の膜厚を堆積後、高周波電源８、１９からの電力供給を停止する。さらに、ガス導入系２５からの処理ガスの導入を停止し、排気系のコンダクタンスバルブ等を開放して反応容器１０の内部を排気する。
次に、ゲートバルブを開けて基板搬送経路を開放し、搬送アームを挿入して基板１７を保持し、搬送アームを後退させて反応容器１０から基板１７を搬出する。最後に、ゲートバルブを閉じて、全工程を終了する。なお、そのまま、リフロー工程等の次工程に移行してもよい。
このように本実施形態に係る薄膜の成膜方法では、ターゲットから飛来するターゲット粒子で基板１７上に成膜をしつつ、基板１７を載置したアノード電極１５にバイアスを印加する。これにより、アノード電極１５とカソード電極１１との間で発生したプラズマ中の希ガスイオンをアノード電極１５に引き込み、基板１７をターゲットとして再スパッタ（エッチング）する。したがって、ＥＣＲプラズマＣＶＤで発生する程の膜質の変化はない。また、第２工程のカソード電力に対するアノード電力の比を第１工程の当該電力比より大きく設定するだけで、各１回の工程によりトレンチ３１又はビアホール３２を所望の形状に形成できる。なお、第２工程では、成膜工程とエッチング工程とが同時に作用しうる。
本実施形態では、処理ガスが希ガスを含むため、膜質を維持することが可能である。さらに、カソード電極１１の高周波電源１９の周波数を１０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚの範囲としている。そのため、第１工程では高イオン化率下で成膜しうるので、トレンチ３１又はビアホール３２（段差）の底部３３に多くの膜を付け、かつ内側壁３４には殆ど膜が付かない。第２の工程では、低い投入電力でプラズマ密度を向上させることが可能であり、ターゲットからの成膜を無視できる。そして、カソード電極１１には、カスプ磁場を形成する磁石機構を搭載している。そのため、第１工程では、高イオン化率下で成膜しているため、段差の底部３３に多くの膜を付け、かつ内側壁３４には殆ど膜が付かない。第２の工程では、低い投入電力でプラズマ密度を向上させることが可能であり、ターゲットからの成膜を無視できる。
加えて、第１工程の処理室の圧力が２Ｐａから２７Ｐａと他のスパッタと比較し高いため高イオン化率になり、段差の底部３３に多くの膜を付け、かつ内側壁３４にはほとんど膜が付かない。また、基板１７のどの位置でも同じ段差被覆性能が得られる。
本発明は、カソード高周波電源電力に対するアノード高周波電源電力の比を可変することで、成膜を主とした処理（第一の工程）とエッチングを主とした処理（第２の工程）を１つの処理室で実施することを可能にしている。
以上説明したように、本発明によれば、開口幅または開口径が３μｍ以下で、アスペクト比１以上、特に１．５以上の高アスペクト比のトレンチ３１又はビアホール３２の底部３３と内側壁３４との双方に、十分な膜厚でバリヤー膜を成膜できる。その結果、次工程のＡｌリフローを実施したときに、トレンチ３１又はビアホール３２内にボイドを生じることなく、極めて平坦なＡｌ膜を成膜できる。したがって、ＣＭＰ（Ｃｈｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理のような平坦化処理を省略することができる。
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
〔実施例１〕
アスペクト比が２．８５７のトレンチ（ホール直径＝０．３５μｍ；ホール深さ１．０μｍ）を複数配置したシリコン基板を用意し、この基板上に図１のプラズマ処理装置を用いて窒化タンタル膜を成膜した。
アスペクト比が２．８５７のトレンチ（ホール直径＝０．３５μｍ；ホール深さ１．０μｍ）を複数配置したシリコン基板を用意し、この基板上に図１のプラズマ処理装置を用いて窒化タンタル膜を成膜した。
カソード電極１１に支持するターゲットとしてタンタル（Ｔａ）を用い、反応容器１０内に処理ガスとして、ＡｒとＮ2の混合ガスを導入した。
第１工程では、ＡｒとＮ2の混合ガスの雰囲気中（処理室圧力：２２Ｐａ）で、カソード電極１１に６０ＭＨｚの２．５ｋＷの高周波電力を印加し、シリコン基板１７を備えたアノード電極１５に１３．５６ＭＨｚの０．１ｋＷ高周波電力を印加して処理を行なった。
プラズマ密度は、処理室の圧力、カソード電力及びカソードＲＦ周波数が高くなると高くなり、これらが低くなると低くなる。そのため、高周波電源１９の周波数を１０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚとしてカソード電力を高くし、更に、第１工程の処理室の圧力を２Ｐａから２７Ｐａに設定すると、高イオン化率になり段差の底部に多くの膜を付け、側面には殆ど膜が付かない。
なお、アノード電極１５には、自己バイアス電圧又は高周波電源８によりバイアスが印可され、Ａｒイオンは基板１７上をエッチングするが、高密度プラズマであるため、Ｔａによりトレンチ３２の底部３３が成膜される量が多い。したがって、Ａｒイオンは基板上をエッチングすることにより影響は殆どない。さらに、本発明ではポイント・カスプ磁場を発生するような磁石機構を搭載しているため、通常のマグネトロンスパッタに比べて、高密度プラズマを形成することが可能となる。したがって、処理室の圧力、カソード電力及びカソードＲＦ周波数が高くすることにより、より高密度プラズマを形成することが可能となり、段差の底部に多くの膜を付け、かつ側面には殆ど膜が付かないようにすることができる。
第２工程では、処理室の圧力を第１工程よりも低い圧力である０．２Ｐａから２Ｐａの範囲で設定している。かつ、第２工程では、カソード電力に対するアノード電力の比を第１の工程の当該電力比より大きく設定している。したがって、カソード電力は、第１工程の場合よりも低くなるので、低密度のプラズマが形成される。これにより、Ａｒイオンがアノード電極１５のバイアスによってトレンチ３２の底部３３に堆積した膜を再スパッタ（エッチング）し、内側壁３４に再配分する。
なお、第２工程においては、カソード電力をターゲットからの粒子が殆ど出ない領域（スパッタされない領域）に設定することにより、ＴａターゲットからＴａが殆ど出ない。そのため、バイアスによりＴａがトレンチ３２の底部３３を再成膜することは殆どない。このように、低い投入電力でプラズマ密度を向上させることが可能であり、ターゲットからの成膜を無視できる。
第２の工程は、カソード電極１１とアノード電極１５への高周波電力の付与を第１工程から継続したまま、上記混合ガスのうち、Ｎ2の処理室への導入を停止し、Ａｒ雰囲気を形成した（処理室圧力：１Ｐａ）。同時に、カソード電極１１に６０ＭＨｚの０．８ｋＷ高周波電力を、アノード電極１５に１３．５６ＭＨｚの０．９ｋＷの高周波電力を印加した。
このようにしてトレンチ３２内に成膜し、その成膜状況を走査型電子顕微鏡で観察したところ、第１工程ではトレンチ３２の底部３３への薄膜の堆積が見られた（底部：０．１１０μｍ、内側壁：０．０２５μｍ）。また、第２工程ではトレンチ３２の底部３３の膜厚が薄くなり、内側壁３４の膜厚が厚くなっていた（底部：０．０６０μｍ、内側壁：０．７６０μｍ）。
〔比較例１，２〕
反応条件を表１に示すように変更した以外は、実施例１と同様にして窒化タンタル膜を成膜した。
反応条件を表１に示すように変更した以外は、実施例１と同様にして窒化タンタル膜を成膜した。
比較例１では、電力比は本発明要件を満たすが圧力が第１工程＜第２工程となり本発明要件を満たさない。その結果、第２工程でＡｒイオンの衝突が増えトレンチ３２の底部３３に堆積した膜を再スパッタ（エッチング）する速度が大幅に減少する。そのため、所望の形状にするために第２工程の実施回数も増えるばかりか、膜質が悪化する。
また、比較例２では、圧力は本発明要件を満たすが電力比が第１工程＞第２工程となり本発明要件を満たさない。その結果、高密度プラズマであるため、Ｔａによりトレンチ３２の底部３３が成膜される量が多い。そのため、第２工程を何回繰り返し実施しても内側壁３４には膜が堆積せずいつまでも所望の形状にならない。
〔実施例２〕
２段階の階段状のトレンチ形状（トレンチ開口幅＝０．６０μｍ；トレンチ底幅＝０．２０μｍ；ホール深さ０．６０μｍ）を複数配置したシリコン基板を用意し、この基板上に図１のプラズマ処理装置を用いてチタンタングステン合金膜を成膜した。
２段階の階段状のトレンチ形状（トレンチ開口幅＝０．６０μｍ；トレンチ底幅＝０．２０μｍ；ホール深さ０．６０μｍ）を複数配置したシリコン基板を用意し、この基板上に図１のプラズマ処理装置を用いてチタンタングステン合金膜を成膜した。
カソード電極１１に支持するターゲットとしてチタンタングステン合金（ＴｉＷ）を用い、反応容器１０内に処理ガスとして、Ａｒガスを導入した。
第１工程では、Ａｒガスの雰囲気中（処理室圧力：２０Ｐａ）で、カソード電極１１に６０ＭＨｚの４．０ｋＷの高周波電力を印加し、シリコン基板１７を備えたアノード電極１５に１３．５６ＭＨｚの０．１ｋＷ高周波電力を印加して処理を行なった。
プラズマ密度は、処理室の圧力、カソード電力及びカソードＲＦ周波数が高くなると高くなり、これらが低くなると低くなる。そのため、高周波電源１９の周波数を１０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚとしてカソード電力を高くし、更に、第１工程の処理室の圧力を２Ｐａから２７Ｐａに設定すると、高イオン化率になり段差の底部に多くの膜を付け、側面には殆ど膜が付かない。
なお、アノード電極には、自己バイアス電圧又は高周波電源８によりバイアスが印可され、Ａｒイオンは基板１７上をエッチングするが、高密度プラズマであるため、ＴｉＷによりトレンチの底部が成膜される量が多い。したがって、Ａｒイオンは基板上をエッチングすることにより影響は殆どない。さらに、本発明ではポイント・カスプ磁場を発生するような磁石機構を搭載しているため、通常のマグネトロンスパッタに比べて、高密度プラズマを形成することが可能となる。したがって、処理室の圧力、カソード電力及びカソードＲＦ周波数が高くすることにより、より高密度プラズマを形成することが可能となり、段差の底部に多くの膜を付け、かつ側面には殆ど膜が付かないようにすることができる。
第２工程では、処理室の圧力を第１工程よりも低い圧力である０．２Ｐａから２Ｐａの範囲で設定している。かつ、第２工程では、カソード電力に対するアノード電力の比を第１の工程の当該電力比より大きく設定している。したがって、カソード電力は、第１工程の場合よりも低くなるので、低密度のプラズマが形成される。これにより、Ａｒイオンがアノード電極１５のバイアスによってトレンチの底部に堆積した膜を再スパッタ（エッチング）し、内側壁に再配分する。
なお、第２工程においては、カソード電力をターゲットからの粒子が殆ど出ない領域に設定することにより、ＴｉＷターゲットからＴｉＷが殆ど出ない。そのため、バイアスによりＴｉＷがトレンチの底部を再成膜することは殆どない。このように、低い投入電力でプラズマ密度を向上させることが可能であり、ターゲットからの成膜を無視できる。
第２の工程は、カソード電極１１とアノード電極１５への高周波電力の付与を第１工程から継続したまま、Ａｒ雰囲気を継続した。（処理室圧力：１．５Ｐａ）。同時に、にカソード電極１１に６０ＭＨｚの０．５ｋＷ高周波電力を、アノード電極１５に１３．５６ＭＨｚの０．５ｋＷの高周波電力を印加した。
このようにしてトレンチ内に成膜し、その成膜状況を走査型電子顕微鏡で観察したところ、第１工程ではトレンチの底部への薄膜の堆積が見られた。また、第２工程ではトレンチの底部の膜厚が薄くなり、内側壁の膜厚が厚くなっていた。
〔比較例３，４〕
反応条件を表２に示すように変更した以外は、実施例２と同様にしてチタンタングステン合金膜を成膜した。
反応条件を表２に示すように変更した以外は、実施例２と同様にしてチタンタングステン合金膜を成膜した。
比較例３では、電力比は本発明要件を満たすが圧力が第１工程＜第２工程となり本発明要件を満たさない。その結果、第２工程でＡｒイオンの衝突が増えトレンチの底部に堆積した膜を再スパッタ（エッチング）する速度が大幅に減少する。そのため、所望の形状にするために第２工程の実施回数も増えるばかりか、膜質が悪化する。
また、比較例４では、圧力は本発明要件を満たすが電力比が第１工程＞第２工程となり本発明要件を満たさない。その結果、高密度プラズマであるため、ＴｉＷによりトレンチの底部が成膜される量が多い。そのため、第２工程を何回繰り返し実施しても内側壁には膜が堆積せずいつまでも所望の形状にならない。
本発明は、例示したスパッタリング装置のみならず、ドライエッチング装置、プラズマアッシャ装置、ＣＶＤ装置および液晶ディスプレイ製造装置等のプラズマ処理装置に応用して適用可能である。
Claims (10)
- 真空排気可能な処理室であって、基板を支持する第１の電極と、前記基板に対向するように配され、ターゲットを支持する第２の電極とを備える処理室に処理ガスを導入し、前記第１および第２の電極のそれぞれに高周波電源から異なる高周波電力を印可すると共に、前記第２の電極に磁場を生成してプラズマを発生させ、凹状段差を有する前記基板の上にターゲット物質を成膜する薄膜の成膜方法であって、
前記磁場はカスプ磁場であり、
前記処理室は、前記第２の電極の、前記ターゲットを支持する面と対向する面に配置され、前記第２の電極の、前記ターゲットを支持する面側にカスプ磁界を形成する複数のマグネットをさらに備え、
前記マグネットが、碁盤目状に複数連なる四角形の各角部に対応する位置に配置されており、前記各四角形の辺方向に隣接するマグネットの極性が反対の極性となっている成膜装置を用いた成膜方法であって、
前記段差の底部への薄膜堆積を行う第１工程と、
前記段差の底部に堆積した薄膜を再スパッタして、前記段差の内側壁への成膜を行う第２工程とを有し、
前記第１工程においては、前記処理室の圧力を２Ｐａから２７Ｐａの範囲で選択して設定し、前記第２の電極に供給される電力に対する前記第１の電極に供給される電力の比を０．５以下に設定し、前記第２の電極に給電する高周波電源の周波数を１０ＭＨｚから３００ＭＨｚの範囲に設定することにより、前記基板上に高密度プラズマを発生させて、前記段差の底部への薄膜堆積を行い、
前記第２工程においては、前記処理室の圧力を０．２Ｐａから２Ｐａの範囲で選択して設定し、前記第２の電極に供給される電力に対する前記第１の電極に供給される電力の比を１以上に設定することにより、前記基板上に低密度プラズマを発生させて、前記段差の底部に堆積した薄膜を再スパッタして、前記段差の内側壁への成膜を行うことを特徴とする薄膜の成膜方法。 - 前記段差の底部の膜厚に対する内側壁の最小膜厚の比が０．５以下であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜の成膜方法。
- 前記第２の電極に給電する高周波電源の高周波電力を３００Ｗから１００００Ｗの範囲で選択して設定し、前記第１の電極に給電する高周波電源の高周波電力を０Ｗから２０００Ｗの範囲で選択して設定することを特徴とする請求項１に記載の薄膜の成膜方法。
- 前記段差の内部を成膜する際に、前記第１工程および第２工程は、この工程順序で少なくとも各１回実施されることを特徴とする請求項１に記載の薄膜の成膜方法。
- 前記第２の電極は、導電性を有する単一組成または複合組成の材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜の成膜方法。
- 前記処理ガスは、少なくとも希ガスを含むガスであることを特徴とする請求項１に記載の薄膜の成膜方法。
- 前記処理ガスは、希ガスと反応性ガスとの混合ガスであり、反応性ガスは酸素及び窒素からなるガス群より選択された少なくとも１種であることを特徴とする請求項６に記載の薄膜の成膜方法。
- 前記第１工程と前記第２工程とで異なる処理ガスを使用することを特徴とする請求項６に記載の薄膜の成膜方法。
- 前記第２の電極に給電する高周波電源の高周波電力を３００Ｗから１００００Ｗの範囲で選択して設定し、前記第１の電極に給電する高周波電源の高周波電力を０Ｗに設定することを特徴とする請求項１に記載の薄膜の成膜方法。
- 基板を支持する第１の電極と、前記基板に対向するように配され、ターゲットを支持する第２の電極と、前記第２の電極の、前記ターゲットを支持する面と対向する面に配置された複数のマグネットであって、碁盤目状に複数連なる四角形の各角部に対応する位置に配置されており、前記各四角形の辺方向に隣接するマグネットの極性が反対の極性となっている複数のマグネットとを備える処理室を用いて凹状段差を有する前記基板の上にターゲット物質を成膜する薄膜の成膜方法であって、
前記複数のマグネットは、前記第２の電極の、前記ターゲットを支持する面近傍の空間に、ループを作るように閉じられた磁束線を形成してポイント・カスプ磁場を形成し、
前記第１および第２の電極のそれぞれに異なる高周波電源から異なる高周波電力を印加して前記第２の電極の下側にプラズマを生成し、
前記成膜方法は、
前記段差の底部への薄膜堆積を行う第１工程と、
前記段差の底部に堆積した薄膜を再スパッタして、前記段差の内側壁への成膜を行う第２工程とを有し、
前記第１工程においては、前記処理室の圧力を２Ｐａから２７Ｐａの範囲で選択して設定し、前記第２の電極に供給される電力に対する前記第１の電極に供給される電力の比を０．５以下に設定し、前記第２の電極に給電する高周波電源の周波数を１０ＭＨｚから３００ＭＨｚの範囲に設定することにより、前記第２の電極の下側に高密度プラズマを発生させて、前記段差の底部への薄膜堆積を行い、
前記第２工程においては、前記第２の電極に供給される電力を前記第１の電極に供給される電力よりも低く設定し、前記処理室の圧力を０．２Ｐａから２Ｐａの範囲で選択して設定し、前記第２の電極に供給される電力に対する前記第１の電極に供給される電力の比を１以上に設定することにより、前記第２の電極の下側に低密度プラズマを発生させて、前記段差の底部に堆積した薄膜を再スパッタして、前記段差の内側壁への成膜を行うことを特徴とする薄膜の成膜方法。
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