JP5265309B2

JP5265309B2 - Sputtering method

Info

Publication number: JP5265309B2
Application number: JP2008283679A
Authority: JP
Inventors: 好之門倉; 城司廣石; 文生中村; 東信金; 智保近藤; 英人長嶋
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2008-11-04
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2028-11-04
Also published as: JP2010111892A

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sputtering apparatus generating highly-densified plasma with a simple constitution without increasing the cost. <P>SOLUTION: The sputtering apparatus M includes a stage 7 for holding a substrate S in a vacuum chamber 1, a target arranged opposite to the stage 7, and a gas introducing means for introducing sputtering gas in the vacuum chamber 1, and further includes a first sputtering power source 5 for supplying the DC power to the target 2, and a second sputtering power source 8 for supplying the high frequency power to the substrate S. The target 2 and the substrate S are arranged close to each other so that plasma with the DC plasma on the target 2 side and the high frequency bias plasma on the substrate side being superposed on each other is generated between the target 2 and the substrate S when the power is supplied from both sputtering power sources 5, 8. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、スパッタリング方法に関し、より詳しくは、高アスペクト比の微細ホールに対して高いボトムカバレッジ率で成膜できるものに関する。 The present invention relates to a scan sputtering method, and more particularly, to what can be deposited at a high bottom coverage ratio with respect to the fine holes of high aspect ratio.

半導体デバイスの製作工程においては、各種配線膜の形成や異種層の相互拡散を防止するバリア膜の形成にスパッタリング（以下、「スパッタ」という）装置を用いることが一般に知られており、この種のスパッタ装置には、近年の配線パターンの微細化に伴い、高アスペクト比の微細ホールに対して高いボトムカバレッジ率（ホールの周囲の面への成膜速度に対するホール底面への成膜速度の比）を達成できることが強く要求されている。 In the manufacturing process of semiconductor devices, it is generally known to use a sputtering (hereinafter referred to as “sputtering”) apparatus for forming various wiring films and barrier films for preventing mutual diffusion of different layers. Sputtering equipment has a high bottom coverage ratio for high-aspect-ratio fine holes due to the recent miniaturization of wiring patterns (ratio of film deposition rate on hole bottom surface to film deposition rate on hole peripheral surface) There is a strong demand to achieve this.

ボトムカバレッジ率を向上し得るスパッタ装置として、Ｃｕ、ＴａやＴｉ等の金属材料からなるスパッタ粒子をイオン化して成膜に利用する所謂イオン化スパッタ装置が例えば特許文献１で知られている。 As a sputtering apparatus that can improve the bottom coverage rate, a so-called ionized sputtering apparatus that ionizes sputtered particles made of a metal material such as Cu, Ta, or Ti and uses it for film formation is known from Patent Document 1, for example.

上記特許文献１のものでは、ターゲットに電力投入するスパッタ電源として、周波数が１３．５６ＭＨｚで出力８〜１０ｋＷの高周波電源（高周波スパッタを行う電源としてはかなり大出力のもの）を使用し、導入されたＡｒなどのスパッタガスにスパッタ放電を生じさせてターゲットと基板との間の空間にプラズマを発生させる。そして、ターゲットから放出されたスパッタ粒子をプラズマ中でイオン化すると共に、基板を保持するステージに高周波バイアス電力を投入してイオン化されたスパッタ粒子を基板に引き込んで入射させる。 In the above-mentioned Patent Document 1, a high-frequency power source having a frequency of 13.56 MHz and an output of 8 to 10 kW (a power source for performing high-frequency sputtering) having a frequency of 13.56 MHz is used as a sputtering power source for supplying power to the target. Sputter discharge is generated in a sputtering gas such as Ar to generate plasma in the space between the target and the substrate. Then, the sputtered particles emitted from the target are ionized in the plasma, and a high-frequency bias power is applied to the stage holding the substrate to draw the ionized sputtered particles into the substrate for incidence.

ここで、高周波電源を用いたスパッタ装置では、高周波電源から出力周波数（例えば６０ＭＨｚ）を高めれば、それに伴ってプラズマが高密度化することが一般に知られている。このことから、このように周波数を高めることを上記特許文献１記載のものに適用して、一層高密度化されたプラズマによりイオン化されるスパッタ粒子の量（イオン化率）を増加させ、更なるボトムカバレッジ率の向上を図ることが考えられる。 Here, it is generally known that in a sputtering apparatus using a high frequency power source, if the output frequency (for example, 60 MHz) is increased from the high frequency power source, the plasma density increases accordingly. From this fact, applying such a frequency increase to that described in Patent Document 1 increases the amount of sputtered particles (ionization rate) ionized by the plasma with a higher density, and further increases the bottom. It is conceivable to improve the coverage rate.

然し、このような高出力、高周波数の高周波電源では、出力を効率よくプラズマ負荷に供給するために入力インピーダンスと負荷インピーダンスとを整合させる高性能なインピーダンス整合器が必要となり、装置構成が複雑になると共に装置自体のコスト高を招来するという問題がある。
特開２００７−１９７８４０号公報 However, such a high-output, high-frequency, high-frequency power supply requires a high-performance impedance matching device that matches the input impedance and load impedance in order to efficiently supply the output to the plasma load, resulting in a complicated device configuration. In addition, there is a problem that the cost of the apparatus itself is increased.
JP 2007-197840 A

そこで、本発明は、以上の点に鑑み、高アスペクト比の微細ホールに対して高いボトムカバレッジ率で成膜できるスパッタリング方法を提供することを課題とするものである。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above points, it is an challenge to provide a sputtering method capable of film formation at a high bottom coverage ratio with respect to the fine holes of high aspect ratio.

上記課題を解決するために、本発明のスパッタリング方法は、真空チャンバ内で処理すべき基板の保持を可能とするステージと、前記ステージに対向配置されたターゲットと、前記ターゲットに直流電力を投入する第１のスパッタ電源と、前記ステージで保持された基板に高周波電力を投入する第２のスパッタ電源と、前記真空チャンバ内にスパッタガスを導入するガス導入手段とを備え、両スパッタ電源から電力投入すると、ターゲット側の直流プラズマと、基板側の高周波バイアスプラズマとが重畳されたプラズマが前記ターゲットと基板との間に発生するように、ターゲット及び基板を近接配置したスパッタリング装置を用い、ステージで基板を保持させた状態で真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、前記第１及び第２の各スパッタ電源から電力投入してプラズマ雰囲気を形成し、金属製のターゲットをスパッタリングして基板に成膜するスパッタリング方法であって、スパッタリング中、真空チャンバ内の圧力が１０〜３０Ｐａに保持されるようにスパッタガスを導入することを特徴とする。
To solve the above SL problems, sputtering method of the present invention, introduced a stage that enables retention of the substrate to be processed in the vacuum chamber, arranged to face the target on the stage, the DC power to said target to a first sputtering power, comprising a second sputtering power supply for high-frequency power, and gas introducing means for introducing a sputtering gas into the vacuum chamber to the substrate held by the stage, power from both sputter power source When turned on, the DC target side plasma, as the plasma and the high frequency bias plasma is superimposed on the substrate side is generated between the target and the substrate, using a sputtering apparatus placed close target and the substrate, in stage A sputtering gas is introduced into the vacuum chamber while holding the substrate, and the first and second sputters are introduced. A sputtering method in which power is supplied from a power source to form a plasma atmosphere, and a metal target is sputtered to form a film on a substrate. Sputtering is performed so that the pressure in the vacuum chamber is maintained at 10 to 30 Pa during sputtering. It is characterized by introducing gas .

本発明によれば、１０〜３０Ｐａの圧力範囲下で第１及び第２の両スパッタ電源から電力投入すると、ターゲット及び基板間に重畳した高密度プラズマが発生し、イオンシース領域が基板近傍に存するようになる。そして、ターゲットから放出されたスパッタ粒子が高密度プラズマで一層効率よくイオン化され、ステージに高周波バイアス電力を投入することで基板近傍のイオンシース領域からイオン化されたスパッタ粒子が引き出される。このとき、この引き出されたスパッタ粒子は、イオン化され、イオンシース領域及び基板間の間隔が短いため、基板に略垂直に入射されるようになる。 According to the present invention, when power is supplied from both the first and second sputtering power sources under a pressure range of 10 to 30 Pa, high-density plasma superimposed between the target and the substrate is generated, and the ion sheath region exists in the vicinity of the substrate. It becomes like this. The sputtered particles emitted from the target are ionized more efficiently by the high-density plasma, and ionized sputtered particles are extracted from the ion sheath region near the substrate by applying high-frequency bias power to the stage. At this time, the extracted sputtered particles are ionized, and the distance between the ion sheath region and the substrate is short, so that the sputtered particles are incident on the substrate substantially perpendicularly.

このことから、本発明のスパッタ法をコンタクトホールの底面にバリア膜を形成することに適用すれば、高アスペクト比の微細ホールに対して高いボトムカバレッジ率で成膜できるようになる。また、本発明のスパッタ法は、スパッタガスと共に所定の反応性ガスを導入して反応性スパッタにより成膜する場合にも適用できる。尚、１０Ｐａより低い圧力では、高いボトムカバレッジ率で成膜することができず、他方、３０Ｐａより高い圧力では、スパッタ放電を継続させることができない。 For this reason, if the sputtering method of the present invention is applied to the formation of a barrier film on the bottom surface of a contact hole, it becomes possible to form a film with a high bottom coverage for a fine hole with a high aspect ratio. The sputtering method of the present invention can also be applied to a case where a predetermined reactive gas is introduced together with a sputtering gas and a film is formed by reactive sputtering. If the pressure is lower than 10 Pa, the film cannot be formed with a high bottom coverage rate. On the other hand, if the pressure is higher than 30 Pa, the sputter discharge cannot be continued.

また、上記スパッタ法によれば、ターゲットから基板に転写されるが如くスパッタ粒子が基板に到達するようになるため、ターゲットの寸法を小さくしても基板の外周縁部までその全面に亘って均一な膜厚で形成できる。しかも、ターゲットを小さくできることで、真空チャンバの容積や、ターゲット及び基板間の空間を囲う防着板の面積を小さくでき、結果として、装置の初期コストやランニングコスト低減にも寄与する。 In addition, according to the sputtering method, sputtered particles reach the substrate as if they were transferred from the target to the substrate. Therefore, even if the target size is reduced, the entire surface of the substrate is uniform up to the outer peripheral edge. It can be formed with a sufficient film thickness. In addition, since the target can be made smaller, the volume of the vacuum chamber and the area of the deposition preventing plate surrounding the space between the target and the substrate can be reduced. As a result, the initial cost and running cost of the apparatus can be reduced.

なお、本発明においては、前記金属製のターゲットがＣｕ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、ＷまたはＴａの単体金属、またはこれらの中から選択された二種以上の合金から構成される場合に最適である。 In the present invention, the metal target is optimal when it is composed of a single metal of Cu, Ti, Co, Ni, Al, W or Ta, or two or more alloys selected from these. It is.

以下、図面を参照して、処理すべき基板Ｓとして、シリコンウエハ等の基板に形成した絶縁膜に高アスペクト比の微細ホールが形成されているものを用い、この微細ホールに対して高いボトムカバレッジ率で成膜できる本発明のスパッタ装置Ｍについて説明する。 Hereinafter, referring to the drawings, as a substrate S to be processed, an insulating film formed on a substrate such as a silicon wafer is used in which a fine hole with a high aspect ratio is formed. The sputtering apparatus M of the present invention that can form a film at a rate will be described.

図１に示すように、スパッタ装置Ｍは、所定容積の真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の底部近傍の側壁には、図示省略の排気管を介して真空ポンプが接続され、所定圧力（例えば１０^−５Ｐａ）まで真空引きして保持できるようになっている。 As shown in FIG. 1, the sputtering apparatus M includes a vacuum chamber 1 having a predetermined volume. A vacuum pump is connected to the side wall in the vicinity of the bottom of the vacuum chamber 1 through an exhaust pipe (not shown) so that it can be evacuated to a predetermined pressure (for example, 10 ⁻⁵ Pa).

真空チャンバ１の上部には、カソードユニットが設けられている。カソードユニットは、スパッタ室１ａを臨むように配置され、基板Ｓの外形より一回り大きい外形（例えば、平面視で円形）のターゲット２を有する。ターゲット２は、Ｃｕ、ＴａやＴｉなどの金属製のものであり、基板Ｓ表面に成膜しようとする薄膜の組成に応じて公知の方法でそれぞれ作製されている。 A cathode unit is provided in the upper part of the vacuum chamber 1. The cathode unit is disposed so as to face the sputtering chamber 1a, and has a target 2 having an outer shape (for example, a circle in plan view) that is slightly larger than the outer shape of the substrate S. The target 2 is made of a metal such as Cu, Ta, or Ti, and is prepared by a known method according to the composition of the thin film to be formed on the surface of the substrate S.

ターゲット２は、スパッタリング中、ターゲット２を冷却するバッキングプレート３にインジウムやスズなどのボンディング材を介して接合され、バッキングプレート３にターゲット２を接合した状態で絶縁板４を介して真空チャンバ１に装着される。このようにターゲット２を装着した後、ターゲット２の周囲には、グランド接地されたアノードとしての役割を果たす図示省略のシールドが取付けられる。また、ターゲット２には、真空チャンバ１外に配置される第１のスパッタ電源たる直流電源５からの出力が接続され、負の直流電圧（投入電力が、１〜３０ｋＷの範囲）が印加できるようになっている。 The target 2 is bonded to a backing plate 3 that cools the target 2 during sputtering through a bonding material such as indium or tin, and the target 2 is bonded to the backing plate 3 to the vacuum chamber 1 via the insulating plate 4. Installed. After mounting the target 2 in this way, a shield (not shown) serving as an anode grounded to the ground is attached around the target 2. Further, the target 2 is connected to an output from a DC power source 5 that is a first sputtering power source disposed outside the vacuum chamber 1 so that a negative DC voltage (input power is in a range of 1 to 30 kW) can be applied. It has become.

ターゲット２の後方（図１中、スパッタ面と反対の上側）には、公知の構造の磁石ユニット６が設けられ、ターゲット２の前方（スパッタ面側たる下側）に、釣り合った閉ループのトンネル状の磁束を形成してターゲット２の前方で電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子を捕捉することで、ターゲット２前方での電子密度を高くしてプラズマ密度を高くできるようにしている。 A magnet unit 6 having a known structure is provided behind the target 2 (upper side opposite to the sputtering surface in FIG. 1), and is in a balanced closed-loop tunnel shape in front of the target 2 (lower side on the sputtering surface side). By capturing the electrons ionized in front of the target 2 and the secondary electrons generated by sputtering, the electron density in front of the target 2 can be increased and the plasma density can be increased.

真空チャンバ１の底部には、ターゲット２に対向した位置で基板Ｓを保持するステージ７が絶縁材料７ａを介して設けられている。ステージ７の基板載置面たる上面には、図示省略の静電チャックが設けられ、この静電チャックにより基板Ｓが位置決めされた後、吸着保持される。また、ステージ７には、第２のスパッタ電源たる高周波電源８からの出力が接続され、基板Ｓに高周波バイアス電圧を印加できる。高周波電源８としては、周波数が１３．５６ＭＨｚで、その出力が０．１〜２．０ｋＷである既存のものが用いられる。 On the bottom of the vacuum chamber 1, a stage 7 for holding the substrate S at a position facing the target 2 is provided via an insulating material 7a. An electrostatic chuck (not shown) is provided on the upper surface of the stage 7 as a substrate mounting surface, and the substrate S is positioned by the electrostatic chuck and is held by suction. Further, the stage 7 is connected to an output from a high frequency power source 8 as a second sputtering power source, and a high frequency bias voltage can be applied to the substrate S. As the high-frequency power source 8, an existing one having a frequency of 13.56 MHz and an output of 0.1 to 2.0 kW is used.

ここで、ターゲット２とステージ７（ひいては基板Ｓ）とは、スパッタガス雰囲気中で両スパッタ電源５、８から電力投入したときに、ターゲット２側の直流プラズマと、基板Ｓ側の高周波バイアスプラズマとが重畳するように近接配置されている。このように重畳したプラズマをターゲット２及び基板Ｓ間に発生するために、本実施の形態においては、両者の間隔Ｄを４０〜７０ｍｍの範囲に設定されている。なお、前記間隔Ｄを変更自在とするために、ステージ２に、直動モータ付きの昇降手段（図示せず）設けるようにしてもよい。 Here, the target 2 and the stage 7 (and consequently the substrate S) are a DC plasma on the target 2 side and a high-frequency bias plasma on the substrate S side when power is applied from both sputtering power sources 5 and 8 in the sputtering gas atmosphere. Are arranged so as to overlap each other. In order to generate the superimposed plasma between the target 2 and the substrate S in this embodiment, the distance D between the two is set in the range of 40 to 70 mm. In order to make the distance D freely changeable, the stage 2 may be provided with lifting means (not shown) with a linear motor.

このように本実施の形態のスパッタ装置Ｍによれば、既存のスパッタ電源を利用して簡単な構成でターゲット２及び基板Ｓ間に発生するプラズマを高密度化できる。なお、上記スパッタ装置Ｍにおいて、上記間隔が４０ｍｍより小さいと、膜厚均一性を確保できず、７０ｍｍを超えると、プラズマを高密度化できない。これにより、ターゲット２及び基板Ｓ間の間隔を短くしたことと、ターゲット側に直流電力を投入することとが相俟って高いスパッタレートが得られ、生産性の向上を図ることが可能となる。 As described above, according to the sputtering apparatus M of the present embodiment, it is possible to increase the density of plasma generated between the target 2 and the substrate S with a simple configuration using an existing sputtering power source. In the sputtering apparatus M, if the interval is smaller than 40 mm, the film thickness uniformity cannot be ensured, and if it exceeds 70 mm, the plasma cannot be densified. As a result, a high sputter rate can be obtained in combination with shortening the distance between the target 2 and the substrate S and applying DC power to the target side, thereby improving productivity. .

真空チャンバ１の側壁には、上下一対の防着板９ｕ、９ｄが設けられ、真空チャンバ１内にスパッタ室１ａを画成しつつ、真空チャンバ１の内壁面等へのスパッタ粒子の付着を防止している。また、真空チャンバ１の側壁には、ガス源１０ａ、１０ｂに連通し、マスフローコントローラ１１が介設されたガス管１２が接続され、Ａｒなどの希ガスからなるスパッタガスや反応性スパッタリングの際に用いる反応ガスが上下一対の防着板９ｕ、９ｄの隙間を通してスパッタ室１ａ内に一定の流量で導入できるようになっている。 A pair of upper and lower deposition plates 9 u and 9 d are provided on the side wall of the vacuum chamber 1, and the sputter particles 1 are prevented from adhering to the inner wall surface of the vacuum chamber 1 while defining the sputter chamber 1 a in the vacuum chamber 1. doing. Further, a gas pipe 12 communicating with the gas sources 10a and 10b and having a mass flow controller 11 interposed therein is connected to the side wall of the vacuum chamber 1, and a sputtering gas composed of a rare gas such as Ar or reactive sputtering is used. The reaction gas to be used can be introduced into the sputtering chamber 1a at a constant flow rate through a gap between the pair of upper and lower deposition prevention plates 9u, 9d.

次に、上記スパッタ装置Ｍを用いた基板Ｓへの成膜について、ターゲットとしてＴｉ製のものを用いたものを例に説明する。先ず、上記のようにターゲット２が装着された状態で、図外の搬送ロボットにより基板Ｓを搬送してステージ７に吸着保持させる。そして、真空チャンバ１を密閉して真空ポンプにより所定の真空度まで真空引きする。 Next, film formation on the substrate S using the sputtering apparatus M will be described using an example in which a target made of Ti is used as a target. First, in a state where the target 2 is mounted as described above, the substrate S is transported by the transport robot (not shown) and is sucked and held on the stage 7. Then, the vacuum chamber 1 is sealed and evacuated to a predetermined degree of vacuum by a vacuum pump.

真空チャンバ１内の圧力が所定値に達すると、ガス管１２からＡｒガス（スパッタガス）を所定の流量（２〜２００ｓｃｃｍ）で導入すると共に、第１及び第２のスパッタ電源５、８によりターゲット２には負の設定直流電圧を、基板Ｓには高周波バイアス電圧をそれぞれ印加する。このとき、マスフローコントローラ１１を制御して真空チャンバ１内の圧力が１０〜３０Ｐａの範囲に保持する。 When the pressure in the vacuum chamber 1 reaches a predetermined value, Ar gas (sputtering gas) is introduced from the gas pipe 12 at a predetermined flow rate (2 to 200 sccm), and the target is supplied by the first and second sputtering power supplies 5 and 8. A negative set DC voltage is applied to 2 and a high frequency bias voltage is applied to the substrate S. At this time, the mass flow controller 11 is controlled to keep the pressure in the vacuum chamber 1 in the range of 10 to 30 Pa.

これにより、ターゲット２及び基板Ｓ間に重畳した高密度プラズマが発生し、イオンシース領域が基板Ｓ近傍に存するようになる。そして、ターゲット２から放出されたスパッタ粒子が高密度プラズマで効率よくイオン化され、ステージ７に投入された高周波バイアス電圧により、上記イオンシース領域からイオン化されたスパッタ粒子（Ｔｉ）が引き出される。このとき、引き出されたスパッタ粒子は、イオンシース領域及び基板間の間隔が短いため、基板Ｓに略垂直に引き込まれて入射されるようになる。その結果、高アスペクト比の微細ホールに対しても高いボトムカバレッジ率でＴｉ膜が成膜される。 Thereby, high-density plasma superimposed between the target 2 and the substrate S is generated, and the ion sheath region is present in the vicinity of the substrate S. The sputtered particles emitted from the target 2 are efficiently ionized by high-density plasma, and the ionized sputtered particles (Ti) are extracted from the ion sheath region by the high frequency bias voltage applied to the stage 7. At this time, the drawn sputtered particles are drawn into the substrate S and enter the substrate S because the distance between the ion sheath region and the substrate is short. As a result, a Ti film is formed with a high bottom coverage rate even for fine holes with a high aspect ratio.

また、上記スパッタ法によれば、ターゲット２から基板Ｓに転写されるが如くスパッタ粒子が基板に到達するようになるため、ターゲット２の寸法を小さくしても基板の外周縁部までその全面に亘って均一な膜厚で形成できる。例えば、上記と同一の磁石ユニット６を備え、φ３００ｍｍの基板Ｓに対して成膜するための従来のスパッタ装置では、膜厚分布の面内均一性を高めるために、約１．５倍の直径を有する円形ターゲットを用いる必要があったが、本実施の形態では、１．２倍の程度の直径に設定しても同等以上の膜厚分布が得られることが確認できた。また、ターゲット２及び基板Ｓ間の間隔Ｄを小さくすることと、ターゲット２寸法が小さくできることとが相俟って、真空チャンバ１の容積や防着板９ｕ、９ｄのサイズを小さくでき、結果として、装置の初期コストやランニングコスト低減にも寄与する。 Further, according to the sputtering method, sputtered particles reach the substrate as if they were transferred from the target 2 to the substrate S. Therefore, even if the size of the target 2 is reduced, the entire surface up to the outer peripheral edge of the substrate can be obtained. It can be formed with a uniform film thickness. For example, in a conventional sputtering apparatus that includes the same magnet unit 6 as described above and forms a film on a substrate 300 having a diameter of 300 mm, the diameter is about 1.5 times larger in order to improve the in-plane uniformity of film thickness distribution However, in this embodiment, it was confirmed that a film thickness distribution equal to or greater than that was obtained even when the diameter was set to about 1.2 times the diameter. In addition, the distance D between the target 2 and the substrate S can be reduced and the size of the target 2 can be reduced, so that the volume of the vacuum chamber 1 and the sizes of the adhesion preventing plates 9u and 9d can be reduced. This also contributes to the reduction of the initial cost and running cost of the device.

以上の効果を確認するために、図１のスパッタ装置ＭでＴｉ製のターゲット（組成比９９％）を用い、処理すべき基板Ｗとして、φ３００ｍｍのシリコンウエハ表面全体に亘ってシリコン酸化物膜が形成され、このシリコン酸化物膜中に公知の方法でアスペクト比２の微細ホールがパターニング形成されたものにＴｉからなるバリア層を形成した。 In order to confirm the above effects, a Ti target (composition ratio 99%) is used in the sputtering apparatus M of FIG. 1, and a silicon oxide film is formed over the entire surface of a silicon wafer having a diameter of 300 mm as a substrate W to be processed. A barrier layer made of Ti was formed on the silicon oxide film formed by patterning fine holes having an aspect ratio of 2 in the silicon oxide film by a known method.

スパッタ条件として、ターゲット２として、その直径が３４０ｍｍのＴｉ製（組成比９９％）のものを用い、ターゲット２及び基板Ｓ間の間隔を４５ｍｍに設定した。また、第１のスパッタ電源５からの投入電力を１４ｋＷ、第２のスパッタ電源８からの投入電力を１００Ｗに設定した。そして、スパッタ中の真空チャンバ１内の圧力をスパッタガスの導入量を変化させて０．５〜３０Ｐａの範囲に保持しながら成膜した。 As sputtering conditions, a target 2 made of Ti having a diameter of 340 mm (composition ratio 99%) was used, and the distance between the target 2 and the substrate S was set to 45 mm. Further, the input power from the first sputtering power supply 5 was set to 14 kW, and the input power from the second sputtering power supply 8 was set to 100 W. The film was formed while maintaining the pressure in the vacuum chamber 1 during sputtering within the range of 0.5 to 30 Pa by changing the amount of sputtering gas introduced.

図２は、圧力を変化させて成膜したときのボトムカバレッジ率を示したものであり、図２中、−○−は基板Ｓ中心（センター）におけるボトムカバレッジ率の変化、−▲−は、基板Ｓ中心から半径方向で１４７ｍｍの位置（エッジ）におけるボトムカバレッジ率の変化を示す。これによれば、スパッタ中の圧力を１０〜３０Ｐａの範囲に保持すれば、基板Ｓ全面に亘って高いボトムカバレッジ率（センター６０％以上、エッジでＴｉ膜を成膜できることが判る。なお、スパッタ中の圧力が３０Ｐａを超えると、スパッタ放電が消失し、成膜できないことが判明した。また、成膜速度を測定したところ、上記圧力範囲では、圧力が低くなる程、スパッタレートが高くなることが判った。例えば、２０Ｐａでは約２ｎｍ／ｓｅｃのスパッタレートが得られ、これは、従来この種の成膜に用いられている自己バイアス式のスパッタ（ＳＩＳ）装置におけるスパッタレートの約３倍であった。 FIG. 2 shows the bottom coverage ratio when the film is formed by changing the pressure. In FIG. 2, − ◯ − indicates the change in the bottom coverage ratio at the center of the substrate S, and − ▲ − indicates The change of the bottom coverage rate at a position (edge) of 147 mm in the radial direction from the center of the substrate S is shown. According to this, it can be seen that if the pressure during sputtering is kept in the range of 10 to 30 Pa, a Ti film can be formed at the edge with a high bottom coverage ratio (center 60% or more, over the entire surface of the substrate S. Sputtering. It was found that when the internal pressure exceeded 30 Pa, the sputter discharge disappeared and the film could not be formed, and when the film formation rate was measured, the lower the pressure in the above pressure range, the higher the sputtering rate. For example, a sputtering rate of about 2 nm / sec is obtained at 20 Pa, which is about three times the sputtering rate in a self-biased sputtering (SIS) apparatus conventionally used for this type of film formation. there were.

次に、第１のスパッタ電源５からの投入電力を１４ｋＷ、第２のスパッタ電源８からの投入電力を１００Ｗ、スパッタ中の真空チャンバ１内の圧力を２０Ｐａに設定し、ターゲット及び基板間の間隔を４５〜７０ｍｍの間で変化させて他の実験を行った。 Next, the input power from the first sputtering power supply 5 is set to 14 kW, the input power from the second sputtering power supply 8 is set to 100 W, the pressure in the vacuum chamber 1 during sputtering is set to 20 Pa, and the distance between the target and the substrate is set. The other experiment was conducted by changing the distance between 45 and 70 mm.

図３には、上記間隔を変化させて成膜したときの基板Ｓ中心でのボトムカバレッジ率を示したものである。これによれば、基板Ｓ面内における膜厚の均一性が約±８％で、７０％以上の高いボトムカバレッジ率が得られていることが確認できた。 FIG. 3 shows the bottom coverage rate at the center of the substrate S when the film is formed while changing the interval. According to this, it was confirmed that the film thickness uniformity in the surface of the substrate S was about ± 8%, and a high bottom coverage rate of 70% or more was obtained.

更に、他の試験として、φ３００ｍｍのシリコンウエハ表面全体に亘ってシリコン酸化物膜が形成され、このシリコン酸化物膜中に公知の方法で相互に異なる形状で微細ホールがパターニング形成されたもの（試料１乃至試料４）にＴｉからなるバリア層を形成した。 Further, as another test, a silicon oxide film is formed over the entire surface of a silicon wafer having a diameter of 300 mm, and fine holes are patterned and formed in different shapes in the silicon oxide film by a known method (sample) A barrier layer made of Ti was formed on samples 1 to 4).

ここで、試料１は、ホール開口径が７２０ｎｍ、深さが７１ｎｍでアスペクト比１０．１、試料２は、ホール開口径が６７５ｎｍ、深さが１５２ｎｍでアスペクト比４．４、試料３は、ホール開口径が４８８ｎｍ、深さが１１６ｎｍでアスペクト比４．２、そして、資料４は、ホール開口径が３１９ｎｍ、深さが１６１ｎｍでアスペクト比２．０であった。 Here, Sample 1 has a hole opening diameter of 720 nm and a depth of 71 nm, an aspect ratio of 10.1, Sample 2 has a hole opening diameter of 675 nm, a depth of 152 nm, and an aspect ratio of 4.4. The aperture diameter was 488 nm, the depth was 116 nm, the aspect ratio was 4.2, and the document 4 had a hole aperture diameter of 319 nm, a depth of 161 nm, and an aspect ratio of 2.0.

また、スパッタ条件として、ターゲット２として、その直径が３４０ｍｍのＴｉ製（組成比９９％）のものを用い、ターゲット２及び基板Ｓ間の間隔を４５ｍｍに設定した。また、第１のスパッタ電源５からの投入電力を１４ｋＷ、第２のスパッタ電源８からの投入電力を４００Ｗに設定した。そして、スパッタ中の真空チャンバ１内の圧力を２０Ｐａの範囲に保持した。 Moreover, as sputtering conditions, the target 2 made of Ti having a diameter of 340 mm (composition ratio 99%) was used, and the distance between the target 2 and the substrate S was set to 45 mm. Further, the input power from the first sputtering power source 5 was set to 14 kW, and the input power from the second sputtering power source 8 was set to 400 W. The pressure in the vacuum chamber 1 during sputtering was kept in the range of 20 Pa.

図４には、アスペクト比の異なる試料（１乃至４）に成膜したときのボトムカバレッジ率を示したものであり、図４中、−◇−は基板Ｓ中心（センター）におけるボトムカバレッジ率、−○−は、微細ホール側壁のボトムカバレッジ率を示す。 FIG. 4 shows the bottom coverage ratio when films are formed on samples (1 to 4) having different aspect ratios. In FIG. 4, − ◇ − indicates the bottom coverage ratio at the center (center) of the substrate S, -○-indicates the bottom coverage ratio of the side wall of the fine hole.

これによれば、アスペクト比４．４以下の微細ホールに対しては、７０％を超えるボトムカバレッジ率を達成でき、また、アスペクト比１０の微細ホールに対しても、５０％を超えるボトムカバレッジ率を達成できることが判る。 According to this, a bottom coverage ratio exceeding 70% can be achieved for a fine hole having an aspect ratio of 4.4 or less, and a bottom coverage ratio exceeding 50% can also be achieved for a fine hole having an aspect ratio of 10. Can be achieved.

なお、本実施の形態では、ターゲットとしてＴｉを用いた実験例について説明したが、プラズマでイオン化されたスパッタ粒子を引き込んで成膜するものであれば特に制限されず、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、ＷまたはＴａの単体金属、またはＴｉを含むこれらの中から選択された二種以上の合金からなるターゲットの場合にも上記効果を得ることができる。 In this embodiment, an experimental example using Ti as a target has been described. However, the present invention is not particularly limited as long as the film is formed by drawing sputtered particles ionized by plasma, and Cu, Co, Ni, Al The above effect can also be obtained in the case of a target composed of two or more kinds of alloys selected from the group consisting of a single metal of W, Ta, or Ti.

本発明のスパッタリング装置の構成を説明する模式図。The schematic diagram explaining the structure of the sputtering device of this invention. スパッタ時の真空チャンバ内の圧力を変化させた実験の結果を示すグラフ。The graph which shows the result of the experiment which changed the pressure in the vacuum chamber at the time of sputtering. スパッタ時のターゲット及び基板間の間隔を変化させた実験の結果を示すグラフ。The graph which shows the result of the experiment which changed the space | interval between the target and board | substrate at the time of a sputtering. 試料を代えてスパッタによる成膜を行った実験の結果を示すグラフ。The graph which shows the result of the experiment which replaced with the sample and performed the film-forming by sputtering.

Explanation of symbols

Ｍスパッタリング装置
１真空チャンバ
２ターゲット
５直流電源（第１のスパッタ電源）
７ステージ
８高周波電源（第２のスパッタ電源）
１０ａ、１０ｂガス源（スパッタガスまたは不活性ガス）
１１マスフローコントローラ
１２ガス管
Ｓ基板
M sputtering equipment
1 Vacuum chamber
2 Target
5 DC power supply (first sputter power supply)
7 stage
8 High-frequency power supply (second sputtering power supply)
10a, 10b Gas source (sputtering gas or inert gas)
11 Mass flow controller
12 Gas pipe
S substrate

Claims

A stage capable of holding a substrate to be processed in a vacuum chamber; a target disposed opposite to the stage; a first sputtering power source for supplying DC power to the target; and a substrate held on the stage. A second sputtering power source for supplying high-frequency power and a gas introducing means for introducing a sputtering gas into the vacuum chamber are provided . When power is supplied from both sputtering power sources, a DC plasma on the target side and a high-frequency bias plasma on the substrate side are provided. And using a sputtering apparatus in which the target and the substrate are arranged close to each other so that plasma superimposed on the target and the substrate is generated ,
A sputtering gas is introduced into the vacuum chamber while the substrate is held on the stage, power is supplied from the first and second sputtering power sources to form a plasma atmosphere, and a metal target is sputtered onto the substrate. A sputtering method for forming a film,
Sputtering method characterized by introducing a sputtering gas to the sputtering, the pressure in the vacuum chamber is held in the 10 Pa to 30 Pa.

The metallic target is Cu, Ti, Co, Ni, Al, single metal of W or Ta, or according to claim 1, characterized in that they are composed of the selected two or more alloys among these, Sputtering method.