JP5535756B2 - Sputtering method and sputtering apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、絶縁膜に形成された凹部に金属材料を埋め込むスパッタ方法、及び該スパッタ方法に用いられるスパッタ装置に関する。   The present invention relates to a sputtering method for embedding a metal material in a recess formed in an insulating film, and a sputtering apparatus used in the sputtering method.

半導体装置においては、従来から、高機能化や縮小化を目的として、複数の配線をビアプラグによって接続した多層配線構造が広く採用されている。近年では、多層配線構造の微細化に応えるために、ビアプラグが微細化されている一方、この微細化によって電流密度が増大してエレクトロマイグレーションが深刻化しつつある。   2. Description of the Related Art Conventionally, in a semiconductor device, a multilayer wiring structure in which a plurality of wirings are connected by via plugs has been widely used for the purpose of increasing functionality and reducing the size. In recent years, via plugs have been miniaturized in response to miniaturization of multilayer wiring structures, and current density has increased due to this miniaturization, and electromigration has become serious.

エレクトロマイグレーションを低減する提案としては、例えば特許文献1に記載のように、2つのスパッタ工程によってビアプラグを形成する2ステップのスパッタ方法が知られている。2ステップのスパッタ方法では、まず小さい粒径の結晶粒からなるライナー層がビアホールの内面の全体に形成され、次いで粒径の大きい結晶粒からなるバルク層がライナー層の内側に加熱によって埋め込まれる。こうした2ステップのスパッタ方法によれば、ビアプラグを構成する結晶粒の境界がビアプラグの延びる方向と平行な方向に揃いやすく、ビアプラグの延びる方向と垂直な方向には揃い難くなる。その結果、結晶粒の境界の方向と電流の方向とに起因したエレクトロマイグレーションが抑えられ、上記多層配線構造を有する半導体装置の信頼性を向上させることが可能になる。   As a proposal for reducing electromigration, for example, as described in Patent Document 1, a two-step sputtering method in which a via plug is formed by two sputtering processes is known. In the two-step sputtering method, a liner layer made of crystal grains having a small grain size is first formed on the entire inner surface of the via hole, and then a bulk layer made of crystal grains having a large grain size is embedded inside the liner layer by heating. According to such a two-step sputtering method, the boundaries of crystal grains constituting the via plug are easily aligned in a direction parallel to the extending direction of the via plug, and are difficult to align in the direction perpendicular to the extending direction of the via plug. As a result, electromigration due to the boundary direction of crystal grains and the direction of current is suppressed, and the reliability of the semiconductor device having the multilayer wiring structure can be improved.

特開2000−260770号公報JP 2000-260770 A

ところで、2ステップスパッタ法によって形成されるライナー層及びバルク層には、ビアホールへの埋め込み性を高めるために、以下のような互いに異なる成膜条件が必要とされる。まずビアホールの内面の全体に成膜されるライナー層に対しては、ライナー層自体の高い被覆性と、バルク層よりも小さい粒径を得るための低い成膜温度とが必要とされる。次いでライナー層に積層されるバルク層に対しては、ライナー層よりも大きな粒径と、ライナー層上で結晶粒が流れるための高い成膜温度とが必要とされる。そのため、上述した2ステップのスパッタ方法においては、スパッタ方式が互いに異なる2種類のスパッタ装置によって、ライナー層とバルク層とが形成されている。   By the way, the liner layer and the bulk layer formed by the two-step sputtering method require the following different film forming conditions in order to improve the embedding property in the via hole. First, for the liner layer formed on the entire inner surface of the via hole, high coverage of the liner layer itself and a low film formation temperature for obtaining a particle size smaller than that of the bulk layer are required. Next, for the bulk layer laminated on the liner layer, a grain size larger than that of the liner layer and a high film formation temperature for crystal grains to flow on the liner layer are required. Therefore, in the above-described two-step sputtering method, the liner layer and the bulk layer are formed by two types of sputtering apparatuses having different sputtering methods.

ライナー層を形成するスパッタ装置としては、ターゲットと基板との間の距離であるTS距離を長くして、ターゲットからスパッタされた粒子を基板に対してほぼ垂直に飛行させる方式、いわゆるロングスロー方式が採用されている。加えて、ライナー層の形成時において基板を加熱しない方式が併用されている。これらの方式によれば、ビアホールの底面に対してほぼ垂直にスパッタ粒子が飛行することから、ライナー層自体が高い被覆性を有するようになる。そのうえ、例えば200℃以下の低温に基板の温度が保たれることになるため、絶縁膜に付着したスパッタ粒子が結晶粒として成長し難くなり、ライナー層を構成する結晶粒の粒径が比較的小さくなる。   As a sputtering apparatus for forming the liner layer, there is a so-called long throw method in which the TS distance, which is the distance between the target and the substrate, is increased and the particles sputtered from the target fly substantially perpendicular to the substrate. It has been adopted. In addition, a method in which the substrate is not heated when the liner layer is formed is also used. According to these systems, since the sputtered particles fly substantially perpendicular to the bottom surface of the via hole, the liner layer itself has a high covering property. In addition, for example, the substrate temperature is maintained at a low temperature of 200 ° C. or lower, so that the sputtered particles attached to the insulating film are difficult to grow as crystal grains, and the grain size of the crystal grains constituting the liner layer is relatively small. Get smaller.

これに対して、バルク層を形成するスパッタ装置としては、バルク層の形成時において基板を加熱して結晶粒を流動させる方式、いわゆるリフロー方式が採用されている。加えて、様々な方向に飛行する粒子を基板に付着させるように、TS距離を短くした方式が採
用されている。これらの方式によれば、例えば400℃という高温に基板の温度が保たれることになるため、ライナー層を構成する結晶粒よりも大きい粒径からなる結晶粒がライナー層上に形成される。そして、上層を構成する結晶粒に流動性が発現されるようになる結果、バルク層を構成する結晶粒は、スパッタ粒子の飛行した方向にかかわらず、ビアホールの開口付近やビアホールの内周面付近からビアホールの底に向けて流れてビアホールの内部の全体を埋め込むようになる。
On the other hand, as a sputtering apparatus for forming a bulk layer, a so-called reflow method is employed in which a crystal is flowed by heating a substrate during the formation of the bulk layer. In addition, a method in which the TS distance is shortened so that particles flying in various directions are attached to the substrate. According to these methods, since the temperature of the substrate is maintained at a high temperature of 400 ° C., for example, crystal grains having a grain size larger than the crystal grains constituting the liner layer are formed on the liner layer. And as a result of the fluidity being expressed in the crystal grains constituting the upper layer, the crystal grains constituting the bulk layer are located near the opening of the via hole or the inner peripheral surface of the via hole regardless of the direction in which the sputtered particles flew. It flows toward the bottom of the via hole and fills the entire inside of the via hole.

しかしながら、ライナー層とバルク層とを形成するために2つの異なるスパッタ方式が採用されると、スパッタ方式に即した個別のスパッタ装置が少なくとも2台必要となる。そのうえ、バルク層を形成する前にライナー層が大気に触れることを回避するためには、2台のスパッタ装置の間を例えば真空搬送チャンバといった他の真空装置によって連結することが必要となる。その結果、半導体装置を製造する装置の大型化や煩雑化が免れ得ないことになる。   However, when two different sputtering methods are employed to form the liner layer and the bulk layer, at least two separate sputtering devices suitable for the sputtering method are required. In addition, in order to avoid the liner layer from being exposed to the atmosphere before forming the bulk layer, it is necessary to connect the two sputtering apparatuses by another vacuum apparatus such as a vacuum transfer chamber. As a result, the size and complexity of the apparatus for manufacturing the semiconductor device cannot be avoided.

なお、製造装置の大型化や煩雑化という問題は、上記ビアプラグの他、能動素子と配線とを接続するコンタクトプラグを形成する装置にも起こりえる問題であって、ロングスロー方式とリフロー方式とを用いて1つの配線要素を形成する装置に概ね共通する問題である。   In addition, the problem of increasing the size and complexity of the manufacturing apparatus is a problem that can occur in a device for forming a contact plug for connecting an active element and a wiring in addition to the via plug, and the long throw method and the reflow method are used. This is a problem that is generally common to devices that use and form a single wiring element.

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、単一のスパッタ装置によって金属材料を凹部に埋め込む際にその埋め込み性を向上させることができるスパッタ方法及び該スパッタ方法に用いられるスパッタ装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and an object thereof is a sputtering method capable of improving the embedding property when a metal material is embedded in a recess by a single sputtering apparatus, and the sputtering method. An object of the present invention is to provide a sputtering apparatus used for the above.

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項1に記載の発明は、真空槽内に生成されたプラズマ中のイオンで該真空槽内に設けられた金属ターゲットをスパッタすることによって該真空槽内に配置された基板が有する凹部の内部に金属材料を埋め込むスパッタ方法において、前記基板にバイアス電圧を印加しつつ前記金属ターゲットをスパッタする第1の工程と、前記基板にバイアス電圧を印加しない状態で前記金属ターゲットをスパッタする第2の工程とを前記真空槽内で順に実行し、前記第1の工程では、前記金属ターゲットから放出された金属粒子と前記プラズマ中の荷電粒子とが衝突する圧力で前記金属ターゲットをスパッタして電荷を帯びた金属粒子を生成し、該電荷を帯びた金属粒子を前記凹部の内部に向けて前記バイアス電圧により引き込み、前記第2の工程では、前記基板に付着する金属粒子が前記凹部内に流動するよ
うに前記基板の温度を前記第1の工程よりも高くして前記金属ターゲットをスパッタし、前記金属ターゲットがアルミニウムを含んでなるターゲットであり、前記金属ターゲットと前記基板との距離が30mm以上且つ90mm以下であり、前記第1の工程では、周波数が13.56MHzの高周波電力を前記基板に供給することによって前記基板にバイアス電圧を印加し、前記真空槽内の圧力が5Pa以上且つ50Pa以下であり、前記基板の温度が20℃以上且つ200℃以下であり、前記高周波電力が7×10 −4 W/mm 以上且つ7×10 −3 /mm 以下であり、前記第2の工程では、前記真空槽内の圧力が0.01Pa以上且つ0.5Pa以下であり、前記基板の温度が350℃以上且つ450℃以下であることをその要旨とする。
Hereinafter, means for solving the above-described problems and the effects thereof will be described.
According to the first aspect of the present invention, the inside of the concave portion of the substrate disposed in the vacuum chamber is formed by sputtering a metal target provided in the vacuum chamber with ions in the plasma generated in the vacuum chamber. In the sputtering method of embedding a metal material in the substrate, a first step of sputtering the metal target while applying a bias voltage to the substrate, and a second step of sputtering the metal target without applying a bias voltage to the substrate. Are sequentially executed in the vacuum chamber, and in the first step, the metal target is sputtered with a pressure at which the metal particles emitted from the metal target and the charged particles in the plasma collide with each other. In the second step, the charged metal particles are drawn toward the inside of the recess by the bias voltage. The temperature of the substrate to be higher than the first step so that the metal particles adhering to the substrate to flow into the recess by sputtering the metal target, be a target for the metal target comprising aluminum The distance between the metal target and the substrate is not less than 30 mm and not more than 90 mm. In the first step, a bias voltage is applied to the substrate by supplying high frequency power having a frequency of 13.56 MHz to the substrate. The pressure in the vacuum chamber is 5 Pa or more and 50 Pa or less, the temperature of the substrate is 20 ° C. or more and 200 ° C. or less, and the high frequency power is 7 × 10 −4 W / mm 2 or more and 7 × 10 −. 3 / mm 2 or less, wherein in the second step, the pressure in the vacuum chamber is less and 0.5Pa or 0.01 Pa, the substrate temperature There as its gist to or less than and 450 ° C. or higher 350 ° C..

本発明のスパッタ方法によれば、第1の工程においては、スパッタされた金属粒子がプラズマ中の荷電粒子と衝突して電荷を帯びた金属粒子となる。金属粒子は、プラズマ中の多重散乱により指向性を失うが、基板に印加されたバイアス電圧によって、基板に設けられた凹部の内部に向けて飛行するようになる。その結果、基板に設けられた凹部の底に金属粒子が到達しやすくなり、凹部の内表面における金属粒子の被覆率が向上される。一方、第2の工程においては、バイアス電圧が基板に印加されていない状態で成膜が実施されるため、プラズマ中のイオンがバイアス電圧によって引き込まれて基板に付着した金属粒子をスパッタするいわゆる逆スパッタが抑えられる。その結果、第2の工程における成膜速度は、第1の工程における成膜速度と比較して高くなる。   According to the sputtering method of the present invention, in the first step, the sputtered metal particles collide with charged particles in the plasma to become charged metal particles. Although the metal particles lose directivity due to multiple scattering in the plasma, the metal particles fly toward the inside of the recesses provided in the substrate by the bias voltage applied to the substrate. As a result, the metal particles easily reach the bottom of the recess provided in the substrate, and the coverage of the metal particles on the inner surface of the recess is improved. On the other hand, in the second step, film formation is performed in a state where no bias voltage is applied to the substrate, so that ions in the plasma are attracted by the bias voltage and sputter metal particles adhering to the substrate. Spatter is suppressed. As a result, the film formation rate in the second step is higher than the film formation rate in the first step.

そして、第1の工程における基板の温度が第2の工程における基板の温度よりも低いため、凹部内に付着した金属粒子の粒径が第1の工程と第2の工程とで互いに異なるようになる。そのうえ、第2の工程における基板の温度が金属粒子を凹部内へ流動させる温度で
あるため、第1の工程にて凹部内に形成される金属膜中の結晶粒の粒径は、第2の工程にて形成される金属膜中の結晶粒の粒径よりも小さくなる。その結果、第1の工程にて形成される金属膜と第2の工程にて形成される金属膜との界面において、第2の工程にて付着した金属粒子の流動性が促進されて凹部内に金属材料が埋め込まれやすくなる。
And since the temperature of the board | substrate in a 1st process is lower than the temperature of the board | substrate in a 2nd process, so that the particle size of the metal particle adhering in a recessed part may mutually differ in a 1st process and a 2nd process. Become. In addition, since the temperature of the substrate in the second step is a temperature at which the metal particles flow into the recess, the grain size of the crystal grains in the metal film formed in the recess in the first step is the second It becomes smaller than the grain size of the crystal grains in the metal film formed in the process. As a result, the fluidity of the metal particles adhered in the second step is promoted at the interface between the metal film formed in the first step and the metal film formed in the second step, so that It becomes easy to embed a metal material in.

このように、本発明のスパッタ方法によれば、単一のスパッタ装置を用いて金属材料を凹部内に埋め込む際に、該金属材料の埋め込み性を高めることが可能である。
また、この発明によれば、金属粒子の飛行距離であるターゲットと基板との距離が30mm以上且つ90mm以下であって、且つ、第1の工程での圧力が5Pa以上且つ50Pa以下である。ターゲットから放出された金属粒子とプラズマ中の荷電粒子との衝突頻度とは、ターゲットと基板との距離が長くなるほど、また真空槽内の圧力が高くなるほど、高くなる。また電荷を帯びた金属粒子とは、ターゲットと基板との距離が短くなるほど、基板に印加されるバイアス電圧によって引き込まれやすくなる。この点、上記スパッタ方法においては、第1の工程での真空槽内の圧力と、ターゲットと基板との距離と、高周波電力の供給量とが上記の範囲に設定されるため、放出された金属粒子と荷電粒子との衝突と、電荷を帯びた金属粒子の引き込みとがより確実に起こるようになる。
また、金属粒子の飛行距離であるターゲットと基板との距離が30mm以上且つ90mm以下であって、且つ、第2の工程における真空槽内の圧力が0.01Pa以上且つ0.5Pa以下である。ターゲットから放出された金属粒子の基板の表面への到達頻度は、ターゲットから放出された金属粒子が真空槽内に滞在するガスによって散乱されないほど高くなる。この点、上記スパッタ方法においては、ターゲットをスパッタする粒子数を確保しながらも、スパッタ粒子と真空槽内の各種粒子との衝突回数を抑制でき、上記成膜レートを向上させることができる。
加えて、第1の工程での基板の温度が20℃以上且つ200℃以下であるため、第1の工程にて形成されるアルミニウム含有膜の粒子径の拡大が抑えられる。また第2の工程での基板の温度が350℃以上且つ450℃以下であるため、第2の工程にて形成されるアルミニウム含有膜の流動性が確実に発現可能となる。
Thus, according to the sputtering method of the present invention, when a metal material is embedded in the recess using a single sputtering apparatus, it is possible to improve the embedding property of the metal material.
Moreover, according to this invention, the distance of the target and board | substrate which is a flight distance of a metal particle is 30 mm or more and 90 mm or less, and the pressure in a 1st process is 5 Pa or more and 50 Pa or less. The collision frequency between the metal particles emitted from the target and the charged particles in the plasma increases as the distance between the target and the substrate increases and the pressure in the vacuum chamber increases. In addition, the charged metal particles are more easily attracted by the bias voltage applied to the substrate as the distance between the target and the substrate becomes shorter. In this regard, in the above sputtering method, the pressure in the vacuum chamber, the distance between the target and the substrate, and the supply amount of the high frequency power in the first step are set in the above range, so that the discharged metal Collisions between particles and charged particles and entrainment of charged metal particles occur more reliably.
The distance between the target and the substrate, which is the flight distance of the metal particles, is 30 mm or more and 90 mm or less, and the pressure in the vacuum chamber in the second step is 0.01 Pa or more and 0.5 Pa or less. The frequency of arrival of the metal particles emitted from the target to the surface of the substrate becomes so high that the metal particles emitted from the target are not scattered by the gas staying in the vacuum chamber. In this respect, in the sputtering method, the number of collisions between the sputtered particles and the various particles in the vacuum chamber can be suppressed and the film formation rate can be improved while securing the number of particles to be sputtered by the target.
In addition, since the temperature of the substrate in the first step is 20 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, the increase in the particle diameter of the aluminum-containing film formed in the first step is suppressed. Further, since the temperature of the substrate in the second step is 350 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, the fluidity of the aluminum-containing film formed in the second step can be surely expressed.

請求項に記載の発明は、請求項1に記載のスパッタ方法において、前記真空槽内に設けられて前記基板を静電的に吸着し、且つ、吸着力に応じた熱量で前記基板を加熱する静電チャックを用い、前記第1の工程では、前記静電チャックの電極に第1の直流電圧を印
加する、前記第2の工程では、前記静電チャックの電極に前記第1の直流電圧よりも高い第2の直流電圧を印加することによって、前記基板の温度を前記第1の工程よりも高くすることをその要旨とする。
According to a second aspect of the present invention, in the sputtering method according to the first aspect, the substrate is electrostatically adsorbed by being provided in the vacuum chamber, and the substrate is heated with an amount of heat corresponding to the adsorption force. In the first step, a first DC voltage is applied to the electrode of the electrostatic chuck. In the second step, the first DC voltage is applied to the electrode of the electrostatic chuck. The gist is to make the temperature of the substrate higher than that of the first step by applying a higher second DC voltage.

一般に、真空槽内で基板を加熱する加熱機構としては、基板を静電的に吸着する静電チャックに該基板を加熱するためのヒーターを搭載して基板と静電チャックとの機械的な接触によって基板に熱を与えるものが知られている。この発明によるように、相対的に高い基板温度が必要とされる第2の工程で第1の工程よりも高い直流電圧を静電チャックの電極に印加すれば、真空槽内に生成されるプラズマの状態を変更させることなく、基板の温度のみを2段階に変更することができる。それゆえに、プラズマから基板へ供給される熱量に関わらず基板の温度のみを変更することが可能であるため、第1の工程や第2の工程における圧力等の各種の条件から基板の温度に関わる制約を取り除くことが可能である。ひいては、第1の工程や第2の工程における各種の条件の自由度を拡張させて、金属材料の埋め込み性をより向上させることが可能である。   In general, as a heating mechanism for heating a substrate in a vacuum chamber, a heater for heating the substrate is mounted on an electrostatic chuck that electrostatically attracts the substrate, and mechanical contact between the substrate and the electrostatic chuck is performed. It is known to apply heat to the substrate. According to the present invention, when a DC voltage higher than that in the first step is applied to the electrode of the electrostatic chuck in the second step where a relatively high substrate temperature is required, the plasma generated in the vacuum chamber Without changing the state, only the temperature of the substrate can be changed in two stages. Therefore, since it is possible to change only the temperature of the substrate regardless of the amount of heat supplied from the plasma to the substrate, it is related to the temperature of the substrate from various conditions such as pressure in the first step and the second step. It is possible to remove the constraints. As a result, the degree of freedom of various conditions in the first step and the second step can be expanded, and the embedding property of the metal material can be further improved.

請求項に記載の発明は、真空槽内に設けられた金属ターゲットを前記真空槽内に生成されたプラズマ中のイオンでスパッタすることによって前記真空槽内に配置された基板が有する凹部の内部に金属材料を埋め込むスパッタ装置において、前記真空槽内の圧力を調整する圧力調整部と、前記基板にバイアス電圧を印加するバイアス電源と、前記基板の温度を調整する温調部と、これら圧力調整部、バイアス電源、及び温調部の駆動態様を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記金属ターゲットから放出された金属粒子と前記プラズマ中の荷電粒子とが衝突するように前記真空槽内の圧力を調整することによって電荷を帯びた金属粒子を生成するとともに、該電荷を帯びた金属粒子を前記凹部の内部に引き込むように前記基板に前記バイアス電圧を印加する第1の工程を実行した後、前記バイアス電圧を印加しない状態で、前記真空槽内の圧力を低くするとともに、前記基板に付着する金属粒子が前記凹部内に流動するように前記基板の温度を高くする第2の工程を実行し、前記金属ターゲットがアルミニウムを含んでなるターゲットであり、前記金属ターゲットと前記基板との距離が30mm以上且つ90mm以下であり、前記制御部が前記第1の工程を実行するとき、周波数が13.56MHzの高周波電力を前記基板に供給することによって前記基板にバイアス電圧を印加し、前記真空槽内の圧力が5Pa以上且つ50Pa以下であり、前記基板の温度が20℃以上且つ200℃以下であり、前記高周波電力が7×10 −4 W/mm 以上且つ7×10 −3 W/mm 以下であり、前記制御部が前記第2の工程を実行するとき、前記真空槽内の圧力が0.01Pa以上且つ0.5Pa以下であり、前記基板の温度が350℃以上且つ450℃以下であることをその要旨とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided an interior of a concave portion of a substrate disposed in the vacuum chamber by sputtering a metal target provided in the vacuum chamber with ions in plasma generated in the vacuum chamber. In a sputtering apparatus for embedding a metal material in the pressure chamber, a pressure adjusting unit that adjusts the pressure in the vacuum chamber, a bias power source that applies a bias voltage to the substrate, a temperature adjusting unit that adjusts the temperature of the substrate, and these pressure adjustments A control unit for controlling a driving mode of the unit, a bias power source, and a temperature control unit, wherein the control unit is configured to cause the metal particles emitted from the metal target to collide with charged particles in the plasma. By adjusting the pressure in the tank, charged metal particles are generated, and the charged metal particles are drawn onto the substrate so as to be drawn into the recesses. After performing the first step of applying astigmatism voltage, in a state of not applying the bias voltage, thereby lowering the pressure in the vacuum chamber, so that the metal particles adhering to the substrate to flow into the recess The second step of increasing the temperature of the substrate is performed, the metal target is a target containing aluminum, the distance between the metal target and the substrate is 30 mm or more and 90 mm or less, and the control unit When performing the first step, a bias voltage is applied to the substrate by supplying high frequency power having a frequency of 13.56 MHz to the substrate, and the pressure in the vacuum chamber is 5 Pa or more and 50 Pa or less, temperature of the substrate is less than or equal to and 200 ° C. 20 ° C. or higher, the high frequency power is 7 × 10 -4 W / mm 2 or more and 7 × 10 -3 W / mm Or less, when the control unit executes the second step, the pressure in the vacuum chamber is less and 0.5Pa above 0.01 Pa, the temperature of the substrate is 350 ° C. or higher and at 450 ° C. or less and the gist that there.

本発明のスパッタ装置によれば、まずスパッタされた金属粒子がプラズマ中の荷電粒子と衝突して電荷を帯びた金属粒子となる。金属粒子は、プラズマ中の多重散乱により指向性を失うが、基板に印加されたバイアス電圧によって、基板に設けられた凹部の内部に向けて飛行するようになる。その結果、基板に設けられたれた凹部の底に金属粒子が到達しやすくなり、凹部の内表面における金属粒子の被覆率が成膜の初期において向上される。次いで、バイアス電圧が基板に印加されていない状態で成膜が継続されるため、プラズマ中のイオンがバイアス電圧によって引き込まれて基板に付着した金属粒子をスパッタするいわゆる逆スパッタが抑えられる。その結果、初期膜が形成された後の成膜速度は、初期膜の形成時における成膜速度と比較して高くなる。   According to the sputtering apparatus of the present invention, the sputtered metal particles first collide with the charged particles in the plasma to become charged metal particles. Although the metal particles lose directivity due to multiple scattering in the plasma, the metal particles fly toward the inside of the recesses provided in the substrate by the bias voltage applied to the substrate. As a result, the metal particles easily reach the bottom of the recess provided in the substrate, and the coverage of the metal particles on the inner surface of the recess is improved in the initial stage of film formation. Next, since the film formation is continued in a state where no bias voltage is applied to the substrate, so-called reverse sputtering in which ions in the plasma are attracted by the bias voltage and sputter metal particles attached to the substrate is suppressed. As a result, the film formation rate after the initial film is formed is higher than the film formation rate when the initial film is formed.

そして、初期膜の形成時における基板の温度が初期膜の形成後における基板の温度よりも低いことから、凹部内に付着した金属粒子の粒径が初期膜と初期膜に積層される膜とで互いに異なるようになる。そのうえ、初期膜の形成後における基板の温度が金属粒子を凹部内へ流動させる温度であるため、凹部内に形成される初期膜中の結晶粒の粒径は、初期膜に積層される膜中の結晶粒の粒径よりも小さくなる。その結果、初期膜と初期膜に積層される膜との界面において、初期膜に積層される膜中の金属粒子の流動性が促進されて凹部内に金属材料が埋め込まれやすくなる。   And since the temperature of the substrate at the time of forming the initial film is lower than the temperature of the substrate after the formation of the initial film, the particle size of the metal particles adhering in the recesses is an initial film and a film laminated on the initial film. Become different from each other. In addition, since the temperature of the substrate after the formation of the initial film is a temperature at which the metal particles flow into the recesses, the grain size of the crystal grains in the initial film formed in the recesses is It becomes smaller than the grain size of the crystal grains. As a result, the fluidity of the metal particles in the film stacked on the initial film is promoted at the interface between the initial film and the film stacked on the initial film, and the metal material is easily embedded in the recess.

このように、本発明のスパッタ装置によれば、単一のスパッタ装置を用いて金属材料を凹部内に埋め込む際に、該金属材料の埋め込み性を高めることが可能である。
また、この発明によれば、金属粒子の飛行距離であるターゲットと基板との距離が30mm以上且つ90mm以下であって、且つ、第1の工程での圧力が5Pa以上且つ50Pa以下である。ターゲットから放出された金属粒子とプラズマ中の荷電粒子との衝突頻度とは、ターゲットと基板との距離が長くなるほど、また真空槽内の圧力が高くなるほど、高くなる。また電荷を帯びた金属粒子とは、ターゲットと基板との距離が短くなるほど、基板に印加されるバイアス電圧によって引き込まれやすくなる。この点、上記スパッタ方法においては、第1の工程での真空槽内の圧力と、ターゲットと基板との距離と、高周波電力の供給量とが上記の範囲に設定されるため、放出された金属粒子と荷電粒子との衝突と、電荷を帯びた金属粒子の引き込みとがより確実に起こるようになる。
また、金属粒子の飛行距離であるターゲットと基板との距離が30mm以上且つ90mm以下であって、且つ、第2の工程における真空槽内の圧力が0.01Pa以上且つ0.5Pa以下である。ターゲットから放出された金属粒子の基板の表面への到達頻度は、ターゲットから放出された金属粒子が真空槽内に滞在するガスによって散乱されないほど高くなる。この点、上記スパッタ方法においては、ターゲットをスパッタする粒子数を確保しながらも、スパッタ粒子と真空槽内の各種粒子との衝突回数を抑制でき、上記成膜レートを向上させることができる。
加えて、第1の工程での基板の温度が20℃以上且つ200℃以下であるため、第1の工程にて形成されるアルミニウム含有膜の粒子径の拡大が抑えられる。また第2の工程での基板の温度が350℃以上且つ450℃以下であるため、第2の工程にて形成されるアルミニウム含有膜の流動性が確実に発現可能となる。
Thus, according to the sputtering apparatus of the present invention, when a metal material is embedded in the recess using a single sputtering apparatus, it is possible to improve the embedding property of the metal material.
Moreover, according to this invention, the distance of the target and board | substrate which is a flight distance of a metal particle is 30 mm or more and 90 mm or less, and the pressure in a 1st process is 5 Pa or more and 50 Pa or less. The collision frequency between the metal particles emitted from the target and the charged particles in the plasma increases as the distance between the target and the substrate increases and the pressure in the vacuum chamber increases. In addition, the charged metal particles are more easily attracted by the bias voltage applied to the substrate as the distance between the target and the substrate becomes shorter. In this regard, in the above sputtering method, the pressure in the vacuum chamber, the distance between the target and the substrate, and the supply amount of the high frequency power in the first step are set in the above range, so that the discharged metal Collisions between particles and charged particles and entrainment of charged metal particles occur more reliably.
The distance between the target and the substrate, which is the flight distance of the metal particles, is 30 mm or more and 90 mm or less, and the pressure in the vacuum chamber in the second step is 0.01 Pa or more and 0.5 Pa or less. The frequency of arrival of the metal particles emitted from the target to the surface of the substrate becomes so high that the metal particles emitted from the target are not scattered by the gas staying in the vacuum chamber. In this respect, in the sputtering method, the number of collisions between the sputtered particles and the various particles in the vacuum chamber can be suppressed and the film formation rate can be improved while securing the number of particles to be sputtered by the target.
In addition, since the temperature of the substrate in the first step is 20 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, the increase in the particle diameter of the aluminum-containing film formed in the first step is suppressed. Further, since the temperature of the substrate in the second step is 350 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, the fluidity of the aluminum-containing film formed in the second step can be surely expressed.

本発明の一実施の形態にかかるスパッタ装置の概略構成を示す概略構成図。The schematic block diagram which shows schematic structure of the sputtering device concerning one embodiment of this invention. スパッタ装置に設けられたチャック電源の駆動態様とチャック電圧との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the drive aspect of the chuck power supply provided in the sputtering device, and chuck voltage. (a)高圧雰囲気での成膜処理における金属粒子の挙動を概念的に示す概念図、(b)低圧雰囲気での成膜処理における金属粒子の挙動を概念的に示す概念図。(A) The conceptual diagram which shows notionally the behavior of the metal particle in the film-forming process in a high-pressure atmosphere, (b) The conceptual diagram which shows notionally the behavior of the metal particle in the film-forming process in a low-pressure atmosphere. (a)〜(g)本実施の形態のスパッタ方法を用いた成膜処理における各種動作及びそれの作用のタイミングを示すタイミングチャート。(A)-(g) The timing chart which shows the timing of various operation | movement in the film-forming process using the sputtering method of this Embodiment, and its effect | action. (a)高圧雰囲気下の成膜工程における膜成長を概念的に示す概念図、(b)低圧雰囲気下の成膜工程における膜成長を概念的に示す概念図。(A) The conceptual diagram which shows notionally the film growth in the film-forming process in a high pressure atmosphere, (b) The conceptual diagram which shows notionally the film growth in the film-forming process in a low-pressure atmosphere.

以下に、本発明のスパッタ方法、及び該スパッタ方法を実施するためのスパッタ装置を具現化した一実施の形態について、図1〜図5を参照して説明する。図1は、スパッタ装置の概略構成を示している。   Hereinafter, an embodiment in which a sputtering method of the present invention and a sputtering apparatus for performing the sputtering method are embodied will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a schematic configuration of the sputtering apparatus.

スパッタ装置が有する真空槽11の内部には、処理対象である基板Sに成膜処理を施す成膜空間11aが形成されている。真空槽11には、例えばアルゴン(Ar)ガス等のスパッタガスの流量を調整するマスフローコントローラMFCが、供給配管12を介して連結されている。マスフローコントローラMFCからは、アルゴンガスが所定範囲の流量で成膜空間11a内に供給される。なお、スパッタガスとしては、アルゴンガスに限らず、ネオン(Ne)ガス、クリプトン(Kr)、あるいはキセノン(Xe)ガス等の希ガス元素の気体を用いることができる。   A film forming space 11a for forming a film on the substrate S to be processed is formed inside the vacuum chamber 11 of the sputtering apparatus. A mass flow controller MFC that adjusts the flow rate of a sputtering gas such as argon (Ar) gas is connected to the vacuum chamber 11 via a supply pipe 12. From the mass flow controller MFC, argon gas is supplied into the film forming space 11a at a flow rate within a predetermined range. Note that the sputtering gas is not limited to argon gas, and a rare gas element gas such as neon (Ne) gas, krypton (Kr), or xenon (Xe) gas can be used.

真空槽11には、ターボ分子ポンプやドライポンプ等を有してなる排気部PUが、排気配管13を介して連結されている。マスフローコントローラMFCが成膜空間11aに供給するガスの単位時間あたりの流量と排気部PUの排気速度とによって成膜空間11aの圧力が決定される。本実施の形態では、排気部PUの排気速度が一定に維持されて、マスフローコントローラMFCの供給するガスの流量が変更されることによって、成膜空間11a内の圧力が所定の値に調整される。本実施の形態では、例えば、マスフローコントローラMFC、供給配管12、排気部PU、及び排気配管13が圧力調整部を構成する。   An exhaust unit PU having a turbo molecular pump, a dry pump, or the like is connected to the vacuum chamber 11 via an exhaust pipe 13. The pressure in the film formation space 11a is determined by the flow rate per unit time of the gas supplied to the film formation space 11a by the mass flow controller MFC and the exhaust speed of the exhaust unit PU. In the present embodiment, the pressure in the film formation space 11a is adjusted to a predetermined value by maintaining the exhaust speed of the exhaust unit PU constant and changing the flow rate of the gas supplied by the mass flow controller MFC. . In the present embodiment, for example, the mass flow controller MFC, the supply pipe 12, the exhaust part PU, and the exhaust pipe 13 constitute a pressure adjusting part.

真空槽11の内部である成膜空間11aには、基板Sを載置して該基板Sの位置を固定する基板ステージ14が設けられている。基板ステージ14の内部には、基板Sの載置面を構成するヒーター15が設けられている。ヒーター15には、これに供給する電流値を制御して、ヒーター15の温度を調整するヒーター制御部HCが接続されている。ヒーター15は、それに載置された基板Sを加熱して、基板Sの温度を所定範囲に調整する。本実施の形態では、温調部として例えばヒーター15が温調部を構成する。   In the film forming space 11 a inside the vacuum chamber 11, a substrate stage 14 is provided on which the substrate S is placed and the position of the substrate S is fixed. Inside the substrate stage 14, a heater 15 that constitutes the placement surface of the substrate S is provided. The heater 15 is connected to a heater control unit HC that controls the current value supplied to the heater 15 and adjusts the temperature of the heater 15. The heater 15 heats the substrate S placed thereon to adjust the temperature of the substrate S to a predetermined range. In this Embodiment, the heater 15 comprises a temperature control part as a temperature control part, for example.

ヒーター15には、基板Sが載置される面に開口する複数の凹部15aと、凹部15aと温調ガス制御部TCとを連通する温調ガス流路15bが形成されている。温調ガス制御部TCからは、温調ガス流路15bを通して凹部15aに所定の流量でヘリウムガス等の温調ガスが供給される。凹部15aに供給された温調ガスは、ヒーター15の発する熱の媒体となり、ヒーター15に載置された基板Sにヒーター15の熱を効率よく伝える。なお、上述した温調ガスとしては、上述のヘリウムガスに限らず、例えばアルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガスを用いることができる。   The heater 15 is formed with a plurality of recesses 15a that open to the surface on which the substrate S is placed, and a temperature control gas flow path 15b that connects the recesses 15a and the temperature control gas controller TC. A temperature control gas such as helium gas is supplied from the temperature control gas control unit TC to the recess 15a through the temperature control gas channel 15b at a predetermined flow rate. The temperature control gas supplied to the recess 15 a becomes a heat medium generated by the heater 15 and efficiently transfers the heat of the heater 15 to the substrate S placed on the heater 15. In addition, as temperature control gas mentioned above, not only the above-mentioned helium gas but inert gas, such as argon gas and nitrogen gas, can be used, for example.

基板ステージ14には、バイアス用高周波電源G1が接続されている。またヒーター15の内部に設けられたチャック電極16には、チャック電源G2が接続されている。
バイアス用高周波電源G1は、所定の高周波電力を基板ステージ14に供給する。そしてバイアス用高周波電源G1から基板ステージ14に高周波電力が供給されると、基板Sに負のバイアス電圧が印加される。チャック電源G2は、基板Sをヒーター15に吸着させるための所定の直流電圧をチャック電極16に印加する。そしてチャック電源G2からチャック電極16に直流電圧が印加されると、直流電圧に応じた静電気力が基板Sとヒーター15との間に発生して基板Sが静電的にヒーター15に吸着される。本実施の形態では、これら基板ステージ14、ヒーター15、チャック電極16、及びチャック電源G2によって、基板Sを静電的に吸着しつつ加熱する静電チャックが構成されている。
A high frequency power supply G1 for bias is connected to the substrate stage 14. A chuck power supply G <b> 2 is connected to the chuck electrode 16 provided in the heater 15.
The high frequency power supply G1 for bias supplies predetermined high frequency power to the substrate stage 14. When high frequency power is supplied to the substrate stage 14 from the bias high frequency power supply G1, a negative bias voltage is applied to the substrate S. The chuck power supply G <b> 2 applies a predetermined DC voltage for adsorbing the substrate S to the heater 15 to the chuck electrode 16. When a DC voltage is applied to the chuck electrode 16 from the chuck power supply G2, an electrostatic force corresponding to the DC voltage is generated between the substrate S and the heater 15, and the substrate S is electrostatically attracted to the heater 15. . In the present embodiment, the substrate stage 14, the heater 15, the chuck electrode 16, and the chuck power source G2 constitute an electrostatic chuck that heats the substrate S while electrostatically attracting it.

基板ステージ14の上方には、基板Sの周方向の略全体に渡って、円筒形状の防着板17が配設されている。防着板17は、成膜空間11a内で成膜処理が実施されるとき、真空槽11の内壁に対するスパッタ粒子の付着を抑制する。   Above the substrate stage 14, a cylindrical deposition preventing plate 17 is disposed over substantially the entire circumferential direction of the substrate S. The deposition preventing plate 17 suppresses adhesion of sputtered particles to the inner wall of the vacuum chamber 11 when the film forming process is performed in the film forming space 11a.

基板ステージ14の直上、且つ防着板17の上方には、アルミニウム−銅合金(Al−Cu)を主成分として円板状に形成されたターゲット18が配設されている。ターゲット18には、ターゲット電源G3に接続されたターゲット電極19が取り付けられている。ターゲット電極19は、ターゲット18の被スパッタ面と基板Sの被成膜面とが相対向し、且つターゲット18と基板Sとの距離であるTS距離DTSが所定の距離になるように真空槽11に固定されている。 Directly above the substrate stage 14 and above the deposition preventing plate 17, a target 18 formed in a disk shape with an aluminum-copper alloy (Al—Cu) as a main component is disposed. A target electrode 19 connected to the target power supply G3 is attached to the target 18. The target electrode 19 is a vacuum chamber in which the sputtering surface of the target 18 and the deposition surface of the substrate S are opposed to each other, and the TS distance DTS, which is the distance between the target 18 and the substrate S, is a predetermined distance. 11 is fixed.

ターゲット電極19の上方には、ターゲット18の被スパッタ面に沿ってマグネトロン磁場を形成する磁気回路21が配設されている。そしてターゲット電極19にターゲット電源G3から所定の直流電圧が印加されると、成膜空間11a内に供給されたスパッタガスがターゲット18の被スパッタ面の近傍でプラズマ化される。さらに、磁気回路21の形成するマグネトロン磁場によって、ターゲット18の被スパッタ面の近傍でプラズマ密度が高くなる。   A magnetic circuit 21 that forms a magnetron magnetic field along the surface to be sputtered of the target 18 is disposed above the target electrode 19. When a predetermined DC voltage is applied to the target electrode 19 from the target power supply G3, the sputtering gas supplied into the film formation space 11a is turned into plasma near the surface to be sputtered of the target 18. Furthermore, the magnetron magnetic field formed by the magnetic circuit 21 increases the plasma density in the vicinity of the surface to be sputtered of the target 18.

スパッタ装置には、バイアス用高周波電源G1、チャック電源G2、及びターゲット電源G3を含む各種電源と、ヒーター制御部HC及び温調ガス制御部TC等の各種制御部が電気的に接続された主制御部22が設けられている。主制御部22は、各種電源、及び各種制御部に、それらの駆動態様を制御するための各種の命令(コマンド)を与える。主制御部22が有する記憶部23には、各種電源、及び各種制御部の駆動態様とコマンドとを対応付けたテーブルなどが格納されている。   The sputter apparatus has a main control in which various power sources including a bias high-frequency power source G1, a chuck power source G2, and a target power source G3 and various control units such as a heater control unit HC and a temperature control gas control unit TC are electrically connected. A portion 22 is provided. The main control unit 22 gives various commands (commands) for controlling their driving modes to various power sources and various control units. The storage unit 23 included in the main control unit 22 stores various power sources, a table in which driving modes of various control units and commands are associated with each other.

スパッタ装置では、ヒーター15が所定の温度に加熱された状態で基板Sが成膜空間11aに搬入されると、所定流量のアルゴンガスが成膜空間11aに供給される。次いで、チャック電源G2からチャック電極16に所定の直流電圧が印加され、基板Sが基板ステージ14に静電吸着される。その後、ターゲット電源G3から所定の電圧がターゲット18に印加されることによってアルゴンガスからなるプラズマが生成されて、ターゲット18の被スパッタ面がプラズマ中のアルゴンイオンによってスパッタされる。   In the sputtering apparatus, when the substrate S is carried into the film formation space 11a with the heater 15 heated to a predetermined temperature, a predetermined flow rate of argon gas is supplied to the film formation space 11a. Next, a predetermined DC voltage is applied to the chuck electrode 16 from the chuck power supply G 2, and the substrate S is electrostatically attracted to the substrate stage 14. Thereafter, a predetermined voltage is applied to the target 18 from the target power supply G3 to generate plasma made of argon gas, and the surface to be sputtered of the target 18 is sputtered by argon ions in the plasma.

本実施の形態において、スパッタ装置の処理対象は、絶縁膜に形成された凹部を有する基板Sであり、スパッタ装置は、成膜空間11a内での成膜処理を通じてAl−Cuからなる配線を凹部内に形成する。主制御部22が実行する成膜処理は、基板Sにバイアス電圧を印加しつつターゲット18をスパッタする第1の工程と、基板Sにバイアス電圧を印加せずにターゲット18をスパッタする第2の工程とによって構成される。主制御部22は、これら第1の工程と第2の工程とを順に実行する。第1の工程では、ターゲット18のスパッタによって放出されたスパッタ粒子と、正電荷を有したアルゴンイオンとが衝突
するように、真空槽11内の圧力が設定される。第2の工程では、スパッタ粒子とアルゴンイオンとの衝突が起こらないように、真空槽11内の圧力が第1の工程における圧力よりも低く設定される。また、第2の工程では、基板Sの温度が、第1の工程における基板Sの温度よりも高く設定される。なお、成膜処理に際しては、第1の工程及び第2の工程に渡り、ヒーター制御部HCからヒーター15に所定の電流が供給されてヒーター15の温度が400℃に維持されている。そして基板Sとヒーター15との間に作用する静電的な吸着力によって基板Sの温度が制御されている。
In the present embodiment, the processing target of the sputtering apparatus is the substrate S having a recess formed in the insulating film, and the sputtering apparatus recesses the wiring made of Al—Cu through the film forming process in the film forming space 11a. Form in. The film forming process executed by the main controller 22 includes a first step of sputtering the target 18 while applying a bias voltage to the substrate S, and a second step of sputtering the target 18 without applying a bias voltage to the substrate S. Process. The main control unit 22 executes the first process and the second process in order. In the first step, the pressure in the vacuum chamber 11 is set so that the sputtered particles released by sputtering of the target 18 collide with argon ions having a positive charge. In the second step, the pressure in the vacuum chamber 11 is set lower than the pressure in the first step so that the collision between the sputtered particles and the argon ions does not occur. In the second step, the temperature of the substrate S is set higher than the temperature of the substrate S in the first step. In the film formation process, a predetermined current is supplied from the heater control unit HC to the heater 15 and the temperature of the heater 15 is maintained at 400 ° C. over the first step and the second step. The temperature of the substrate S is controlled by an electrostatic adsorption force acting between the substrate S and the heater 15.

上記第1の工程及び第2の工程での基板温度の調節方法を、図2を参照して説明する。図2は、スパッタ装置に設けられた主制御部22がチャック電源G2に出力する命令であるチャックコマンドとチャック電源G2がチャック電極16に印加するチャック電圧とを対応付けたテーブルを示している。   A method for adjusting the substrate temperature in the first step and the second step will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows a table in which a chuck command, which is a command output to the chuck power supply G2 by the main control unit 22 provided in the sputtering apparatus, is associated with a chuck voltage applied to the chuck electrode 16 by the chuck power supply G2.

チャックコマンドには、「OFF」、「ON1」、及び「ON2」の3種類が用意されている。主制御部22がチャックコマンド「OFF」を選択してチャック電源G2に出力すると、チャック電源G2は、チャック電極16に印加するチャック電圧を0Vとする。また、主制御部22がチャックコマンド「ON1」を選択してチャック電源G2に出力すると、チャック電源G2は、チャック電極16に印加するチャック電圧を100V(第1の直流電圧)とする。そして、主制御部22がチャックコマンド「ON2」を選択してチャック電源G2に出力すると、チャック電源G2は、チャック電極16に印加するチャック電圧を800V(第2の直流電圧)とする。   There are three types of chuck commands, “OFF”, “ON1”, and “ON2”. When the main control unit 22 selects the chuck command “OFF” and outputs it to the chuck power supply G2, the chuck power supply G2 sets the chuck voltage applied to the chuck electrode 16 to 0V. When the main control unit 22 selects the chuck command “ON1” and outputs it to the chuck power supply G2, the chuck power supply G2 sets the chuck voltage applied to the chuck electrode 16 to 100 V (first DC voltage). When the main controller 22 selects the chuck command “ON2” and outputs it to the chuck power supply G2, the chuck power supply G2 sets the chuck voltage applied to the chuck electrode 16 to 800 V (second DC voltage).

チャック電圧が0Vに設定されると、基板Sとヒーター15との間に静電的な吸着力が発現せず、基板Sが基板ステージ14に吸着されない状態となる。チャック電圧が100V及び800Vに設定されると、基板Sとヒーター15との間に静電的な吸着力が発現し、基板Sが基板ステージ14に吸着された状態となる。チャック電圧が100Vに設定される場合、チャック電圧が800Vに設定される場合と比較して、基板Sとヒーター15との間の吸着力が弱くなり、ヒーター15から基板Sへ熱が伝わり難くなる。そのため、チャック電圧が100Vに設定される場合、チャック電圧が800Vに設定される場合よりも基板の温度が低くなる。   When the chuck voltage is set to 0 V, an electrostatic attracting force is not developed between the substrate S and the heater 15, and the substrate S is not attracted to the substrate stage 14. When the chuck voltage is set to 100 V and 800 V, an electrostatic attracting force appears between the substrate S and the heater 15, and the substrate S is attracted to the substrate stage 14. When the chuck voltage is set to 100V, compared with the case where the chuck voltage is set to 800V, the adsorption force between the substrate S and the heater 15 becomes weak, and heat is hardly transmitted from the heater 15 to the substrate S. . Therefore, when the chuck voltage is set to 100V, the substrate temperature becomes lower than when the chuck voltage is set to 800V.

本実施の形態では、成膜処理が実施されていないとき、及び成膜処理が完了したときに、主制御部22によってチャックコマンド「OFF」が選択される。また、第1の工程が実施されるときに、主制御部22によってチャックコマンド「ON1」が選択され、基板Sの温度が200℃以下に維持される。そして、第2の工程が実施されるときに、主制御部22によってチャックコマンド「ON2」が選択され、基板Sの温度が350℃以上且つ450℃以下に維持される。   In the present embodiment, the chuck command “OFF” is selected by the main control unit 22 when the film forming process is not performed and when the film forming process is completed. When the first step is performed, the chuck command “ON1” is selected by the main control unit 22 and the temperature of the substrate S is maintained at 200 ° C. or lower. Then, when the second step is performed, the chuck command “ON2” is selected by the main control unit 22, and the temperature of the substrate S is maintained at 350 ° C. or more and 450 ° C. or less.

このような構成によれば、チャック電極16に印加するチャック電圧によって基板Sの温度を変更するようにしているため、真空槽11内に生成されるプラズマの状態を変更させることなく、基板Sの温度のみを段階的に変更することができる。そして、プラズマから基板Sへ供給される熱量に関わらず基板Sの温度のみを変更することが可能であるため、第1の工程や第2の工程における圧力等の各種の条件から基板Sの温度に関わる制約を取り除くことが可能である。   According to such a configuration, the temperature of the substrate S is changed by the chuck voltage applied to the chuck electrode 16, so that the state of the plasma generated in the vacuum chamber 11 can be changed without changing the state of the plasma of the substrate S. Only the temperature can be changed in stages. Since only the temperature of the substrate S can be changed regardless of the amount of heat supplied from the plasma to the substrate S, the temperature of the substrate S can be determined from various conditions such as pressure in the first step and the second step. It is possible to remove the restrictions related to.

ここで、成膜処理によって基板S上に形成されるAl−Cu膜の構成粒子は、成膜時の基板温度に依存することが知られている。詳しくは、成膜処理時の基板Sの温度が低い程、Al−Cu膜を構成する粒子の粒径は小さくなり、基板Sの温度が高い程、Al−Cu膜を構成する粒子の粒径は大きくなる。そのため、本実施の形態では、第1の工程で形成されたAl−Cu膜を構成する粒子の粒径よりも、第2の工程で形成されたAl−Cu膜
を構成する粒子の粒径の方が大きくなる。
Here, it is known that the constituent particles of the Al—Cu film formed on the substrate S by the film formation process depend on the substrate temperature at the time of film formation. Specifically, the lower the temperature of the substrate S during film formation, the smaller the particle size of the particles constituting the Al—Cu film, and the higher the temperature of the substrate S, the particle size of the particles constituting the Al—Cu film. Will grow. Therefore, in this embodiment, the particle size of the particles constituting the Al—Cu film formed in the second step is larger than the particle size of the particles constituting the Al—Cu film formed in the first step. Will be bigger.

次に、成膜処理時の真空槽11内の圧力がスパッタ粒子である金属粒子の軌道や金属膜の成膜速度に与える作用を、図3を参照して説明する。図3(a)は、真空槽11内を高圧Pの雰囲気として成膜処理を実施したときの金属粒子の挙動を概念的に示しており、図3(b)は、真空槽11内を低圧Pの雰囲気として成膜処理を実施したときの金属粒子の挙動を概念的に示している。なお、図3(a)に示される高圧雰囲気の成膜処理では、基板Sにバイアス電圧が印加されてもいる。また上述のように、本実施の形態では、真空槽11内に供給配管12を介して供給されるアルゴンガスの単位時間あたりの流量を変更することによって、真空槽11内の圧力を調整している。 Next, the action of the pressure in the vacuum chamber 11 during the film forming process on the trajectory of the metal particles as the sputter particles and the film forming speed of the metal film will be described with reference to FIG. 3 (a) is the behavior of the metal particles when carrying out the deposition process in the vacuum chamber 11 as the atmosphere of a high pressure P H is schematically shown, FIG. 3 (b), a vacuum chamber 11 the behavior of metal particles when carrying out the film forming process as the atmosphere of the low pressure P L conceptually shows. Note that a bias voltage is applied to the substrate S in the high-pressure atmosphere film forming process shown in FIG. As described above, in the present embodiment, the pressure in the vacuum chamber 11 is adjusted by changing the flow rate per unit time of the argon gas supplied into the vacuum chamber 11 through the supply pipe 12. Yes.

図3(a)に示されるように、真空槽11内の圧力を5Pa以上且つ50Pa以下の高圧Pの条件としてターゲット18に例えば10kW以上の電圧を印加する成膜処理を実施すると、成膜空間11aにおけるターゲット18近傍の領域Aにて、アルゴンガスが励起されて正イオンとなる。そして領域A内の正イオンとなったアルゴンが、ターゲット18の被スパッタ面をスパッタし、Al、Cu、あるいはAlとCuとの合金からなる金属粒子MPが放出される。 As shown in FIG. 3 (a), when carrying out the film forming process for applying a voltage of, for example, more than 10kW the target 18 as a condition of the high pressure P H and the following 50Pa or more 5Pa the pressure in the vacuum chamber 11, the deposition Argon gas is excited and becomes positive ions in a region A near the target 18 in the space 11a. Argon which has become positive ions in the region A sputters the surface to be sputtered of the target 18, and metal particles MP made of Al, Cu, or an alloy of Al and Cu are released.

真空槽11内の圧力が高圧Pであるため、放出された金属粒子MPは、成膜空間11aにおける上記領域A又は領域Aの基板S側の領域B内で、正の荷電粒子IPであるアルゴンイオンと1回以上衝突する。これにより、中性の金属粒子MPと正の荷電粒子IPとの間で電荷の交換が起こる。なお、ターゲット18と基板Sとの距離であるTS距離DTSを30〜90mm、真空槽11内の圧力を5Pa以上且つ50Pa以下とするとき、金属粒子MPと荷電粒子IPとの平均衝突回数は数百回である。すなわち、本実施の形態における高圧Pとは、金属粒子MPと荷電粒子IPとの平均衝突回数が1回となる基準圧力PTH以上の圧力である。 Since the pressure in the vacuum chamber 11 is pressure P H, the released metal particles MP is in the region B of the substrate S side of the region A or the region A in the film forming space 11a, it is a positive charged particles IP Collides with argon ions one or more times. As a result, charge exchange occurs between the neutral metal particle MP and the positive charged particle IP. Incidentally, TS distance D TS to 30~90mm a distance between the target 18 and the substrate S, when less and 50Pa or more 5Pa the pressure in the vacuum chamber 11, the average number of collisions between the metal particles MP and the charged particles IP is Hundreds of times. That is, the high pressure P H in the present embodiment, a reference pressure P TH or more pressure the average number of collisions between the metal particles MP and the charged particles IP is one.

そして正の電荷を有する金属粒子MPが、基板S近傍の領域Cに到達すると、基板Sに印加された負のバイアス電圧により基板Sの被成膜面に引き込まれる。そのため、真空槽11内の圧力を高圧Pとして成膜処理を実施すると、ターゲット18の被スパッタ面から放出された金属粒子MPは、それの飛行方向に対して指向性、特に基板Sにおける被成膜面の法線方向に沿った指向性を付与されることになる。 When the metal particles MP having a positive charge reach the region C in the vicinity of the substrate S, the metal particles MP are attracted to the film formation surface of the substrate S by the negative bias voltage applied to the substrate S. Therefore, when carrying out the deposition process the pressure in the vacuum chamber 11 as a high pressure P H, the metal particles MP released from the sputtered surface of the target 18, the in directivity, in particular substrate S relative to that of the flight direction Directivity along the normal direction of the film formation surface is given.

他方、図3(b)に示されるように、ターゲット18に例えば10kW以上の電圧を印加し、真空槽11内の圧力を0.01Pa以上且つ0.5Pa以下の低圧Pの条件として成膜処理を実施すると、領域Aにてアルゴンが正イオンとなる。そしてアルゴンの正イオンは、ターゲット18の被スパッタ面をスパッタし、Al、Cu、あるいはAlとCuとの合金からなる金属粒子MPが放出される。 On the other hand, as shown in FIG. 3 (b), is applied, for example 10kW or more voltage to the target 18, the deposition condition of the low pressure P L and less 0.5Pa or 0.01Pa the pressure in the vacuum chamber 11 When the treatment is performed, argon becomes positive ions in the region A. Then, the positive ions of argon sputter the surface to be sputtered of the target 18 to release metal particles MP made of Al, Cu, or an alloy of Al and Cu.

放出された金属粒子MPは、それのほとんどが領域Aの基板S側の領域B内で正の荷電粒子IPと衝突せず、金属粒子MPは中性に維持された状態で、基板Sの被成膜面に着弾する。この際、基板Sにはバイアス電圧が印加されていないため、ターゲット18の被スパッタ面から放出された金属粒子MPのほとんどが放出角度の分布を維持しつつ領域Bを飛行して基板Sの被成膜面に着弾する。なお、ターゲット18と基板Sとの距離であるTS距離DTSを30〜90mm、真空槽11内の圧力を0.01Pa以上且つ0.5Pa以下とするとき、金属粒子MPと荷電粒子IPとの平均衝突回数は1回である。すなわち、本実施の形態における低圧Pとは、金属粒子MPと荷電粒子IPとの平均衝突回数が1回となる基準圧力PTHよりも低い圧力である。 Most of the released metal particles MP do not collide with the positive charged particles IP in the region B of the region A on the substrate S side, and the metal particles MP are maintained in a neutral state. Land on the deposition surface. At this time, since a bias voltage is not applied to the substrate S, most of the metal particles MP emitted from the surface to be sputtered of the target 18 fly in the region B while maintaining the distribution of the emission angle, and the substrate S is covered. Land on the deposition surface. Note that the TS distance D TS is the distance between the target 18 and the substrate S 30~90Mm, when less and 0.5Pa or 0.01Pa the pressure in the vacuum chamber 11, the metal particles MP and the charged particles IP The average number of collisions is one. That is, the low pressure P L in this embodiment is a pressure lower than the reference pressure P TH average number of collisions between the metal particles MP and the charged particles IP is one.

ここで、ターゲット18に印加される電圧が一定であるとき、真空槽11内の圧力と基
板Sの被成膜面における成膜速度とは、真空槽11内の圧力が下記(i)〜(iii)のいずれの範囲にあるかによって異なる関係を有する。
Here, when the voltage applied to the target 18 is constant, the pressure in the vacuum chamber 11 and the film formation speed on the film formation surface of the substrate S are the following (i) to ( It has a different relationship depending on the range of iii).

(i)真空槽11内のアルゴン粒子の数量がターゲット18への印加電圧に対して不足しているとき、アルゴン粒子の数量、すなわち真空槽11内の圧力が高くなるほど成膜速度が高くなる。   (I) When the number of argon particles in the vacuum chamber 11 is insufficient with respect to the voltage applied to the target 18, the deposition rate increases as the number of argon particles, that is, the pressure in the vacuum chamber 11 increases.

(ii)真空槽11内のアルゴン粒子の数量がターゲット18への印加電圧に対して過不足ないとき、アルゴン粒子の数量、すなわち真空槽11内の圧力にかかわらず成膜速度は略一定の速度に維持される。   (Ii) When the number of argon particles in the vacuum chamber 11 is not excessive or insufficient with respect to the voltage applied to the target 18, the deposition rate is substantially constant regardless of the number of argon particles, that is, the pressure in the vacuum chamber 11. Maintained.

(iii)真空槽11内のアルゴン粒子の数量がターゲット18への印加電圧に対して過不足ない範囲を超えるとき、アルゴン粒子の数量、すなわち真空槽11内の圧力が高くなるほど成膜速度が低くなる。   (Iii) When the number of argon particles in the vacuum chamber 11 exceeds a range in which the voltage applied to the target 18 is not excessive or insufficient, the deposition rate decreases as the number of argon particles, that is, the pressure in the vacuum chamber 11 increases. Become.

本実施の形態においては、第1の工程における真空槽11内の圧力が(iii)の圧力範囲に含まれる高圧Pであり、第2の工程における真空槽11内の圧力が(ii)の圧力範囲に含まれる低圧Pである。そのため、第1の工程では、基板Sが有する凹部の底に金属粒子MPを到達しやすくできるものの、成膜速度が低くなる。一方、第2の工程では、第1の工程における成膜速度の低下を補うべく、第1の工程と比較して、より高い成膜速度が得られる。 In this embodiment, the pressure in the vacuum chamber 11 in the first step is high P H contained in a pressure range of (iii), the pressure in the vacuum chamber 11 in the second step is (ii) a low pressure P L that is included in the pressure range. Therefore, in the first step, although the metal particles MP can easily reach the bottom of the concave portion of the substrate S, the film formation rate is lowered. On the other hand, in the second step, a higher deposition rate can be obtained as compared with the first step in order to compensate for the decrease in the deposition rate in the first step.

本実施の形態のスパッタ方法を用いた成膜処理を実施したときの、スパッタ装置の駆動態様とその作用とを、図4及び図5を参照して説明する。図4は、成膜処理を実施したときの(a)マスフローコントローラMFC、及び(b)(c)(d)各種電源の駆動態様と、(e)真空槽11内の圧力である成膜圧力、(f)基板Sの温度、及び(g)基板Sの裏面に供給されるアルゴンガスの圧力の変化のタイミングとを示している。図5は、各工程における金属膜の成長過程を概念的示しており、図5(a)は第1の工程における金属膜の成長過程を、図5(b)は第2の工程における金属膜の成長過程をそれぞれ示している。   A driving mode and an operation of the sputtering apparatus when the film forming process using the sputtering method of the present embodiment is performed will be described with reference to FIGS. FIG. 4 shows (a) a mass flow controller MFC and (b) (c) (d) various power source driving modes and (e) a pressure in the vacuum chamber 11 when a film forming process is performed. , (F) the temperature of the substrate S, and (g) the timing of the change in the pressure of the argon gas supplied to the back surface of the substrate S. FIG. 5 conceptually shows the growth process of the metal film in each step, FIG. 5 (a) shows the growth process of the metal film in the first step, and FIG. 5 (b) shows the metal film in the second step. Each shows the growth process.

図4に示されるように、基板Sが成膜空間11a内に搬入されると、第1の工程の開始時であるタイミングt1にて、マスフローコントローラMFCから成膜空間11a内に、例えば3〜500sccmの流量F2にてアルゴンガスが供給される(図4(a))。これにより、成膜圧力は圧力P、例えば5Pa以上且つ50Pa以下となる(図4(e))。 As shown in FIG. 4, when the substrate S is carried into the film formation space 11 a, for example, 3 to 3 from the mass flow controller MFC into the film formation space 11 a at the timing t <b> 1 when the first process starts. Argon gas is supplied at a flow rate F2 of 500 sccm (FIG. 4A). Thereby, the film forming pressure becomes a pressure P H , for example, 5 Pa or more and 50 Pa or less (FIG. 4E).

次いで、主制御部22においてチャックコマンド「ON1」が選択されて、チャック電源G2からチャック電極16に例えば100Vのチャック電圧V1が印加される(図4(d))。これにより、基板Sが基板ステージ14に静電吸着されて、基板Sの温度が温度T1、例えば200℃以下で維持される(図4(f))。   Next, the chuck command “ON1” is selected in the main control unit 22, and a chuck voltage V1 of, for example, 100 V is applied from the chuck power supply G2 to the chuck electrode 16 (FIG. 4D). Thereby, the substrate S is electrostatically attracted to the substrate stage 14, and the temperature of the substrate S is maintained at a temperature T1, for example, 200 ° C. or less (FIG. 4F).

続いて、ターゲット電源G3からターゲット18にターゲット電圧Vt、例えば10kW以上の電圧が印加される。これにより、アルゴンガスからなるプラズマが生成されるとともに、ターゲット18の被スパッタ面がアルゴンイオンによってスパッタされて金属粒子MPが放出される(図4(b))。   Subsequently, a target voltage Vt, for example, a voltage of 10 kW or more is applied to the target 18 from the target power supply G3. As a result, plasma made of argon gas is generated, and the surface to be sputtered of the target 18 is sputtered by argon ions to release the metal particles MP (FIG. 4B).

また成膜空間11a内にプラズマが生成されると、バイアス用高周波電源G1がチャック電極16に電力量Vb、例えば7×10−4W/mm以上且つ7×10−3W/mm以下の高周波電力を供給する。これにより、基板Sに負のバイアス電圧が印加される(
図4(c))。なお、第1の工程では、基板Sの裏面にアルゴンガスが供給されないため、それの圧力PArは0とされる。
When plasma is generated in the film formation space 11a, the high frequency power supply G1 for bias supplies the chuck electrode 16 with an electric energy Vb, for example, 7 × 10 −4 W / mm 2 or more and 7 × 10 −3 W / mm 2 or less. Supply high frequency power. As a result, a negative bias voltage is applied to the substrate S (
FIG. 4 (c)). In the first process, since argon gas is not supplied to the back surface of the substrate S, its pressure PAr is set to zero.

要するに、第1の工程では、
・真空槽11内の圧力が基準電圧PTH以上の高圧P
・バイアス用高周波電源G1が「ON」
・チャックコマンドとして「ON1」
これらが選択された条件にて成膜処理が実施される。
In short, in the first step,
Pressure inside the vacuum chamber 11 is equal to or higher than the reference voltage P TH pressure P H
・ High frequency power supply G1 for bias is “ON”
・ "ON1" as the chuck command
The film forming process is performed under the conditions where these are selected.

これによれば、図5(a)に示されるように、ターゲット18の被スパッタ面から放出された金属粒子MPは、荷電粒子であるアルゴンイオンとの衝突によって電荷を帯び、基板Sに印加されたバイアス電圧の作用で凹部Hの底に向けた指向性を有するようになる。そのため、凹部Hの側壁ばかりでなく、それの底部にもAl−Cu合金の薄膜であるライナー層Lが形成される。このとき、基板Sの温度が200℃以下とされていることから、ライナー層Lを構成するAl−Cu合金の粒子の粒径は、その成長が抑えられる。 According to this, as shown in FIG. 5A, the metal particles MP emitted from the surface to be sputtered of the target 18 are charged by collision with the argon ions as charged particles and applied to the substrate S. The directivity toward the bottom of the recess H is obtained by the action of the bias voltage. Therefore, the liner layer L L which is an Al—Cu alloy thin film is formed not only on the side wall of the recess H but also on the bottom thereof. At this time, since the temperature of the substrate S is a 200 ° C. or less, the particle diameter of the particles of the Al-Cu alloy constituting the liner layer L L, the growth is suppressed.

第1の工程の開始から所定時間が経過すると、タイミングt2にて第2の工程が開始される。第2の工程の開始に際してはまず、バイアス用高周波電源G1がチャック電極16への高周波電力の供給を停止する(図4(c))。このように、第2の工程においては、それの開始時にバイアス用高周波電源G1が「OFF」とされることから、第1の工程にて形成されたライナー層Lにアルゴンイオンが引き込まれるいわゆる逆スパッタの発生を抑制できる。そのため、ライナー層Lが逆スパッタにより削られることを抑制できる。 When a predetermined time has elapsed from the start of the first process, the second process is started at timing t2. At the start of the second step, first, the bias high-frequency power supply G1 stops the supply of high-frequency power to the chuck electrode 16 (FIG. 4C). As described above, in the second step, the bias high-frequency power source G1 is turned “OFF” at the start thereof, so that argon ions are drawn into the liner layer L L formed in the first step. The occurrence of reverse sputtering can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress the liner layer L L from being scraped by reverse sputtering.

次いで、マスフローコントローラMFCから成膜空間11aに流量F2よりも低い流量F1、例えば20〜100sccmにてアルゴンガスが供給される(図4(a))。アルゴンガスの流量と排気系の調整によって、成膜圧力が、基準圧力PTHよりも高い圧力Pから、基準圧力PTHよりも低い圧力P、例えば0.01Pa以上且つ0.5Pa以下に変更される(図4(e))。そして、チャック電源G2からチャック電極16に印加される電圧が、チャック電圧V1からチャック電圧V2、例えば800Vに変更される。つまり、主制御部22によってチャックコマンドとして「ON2」が選択される。これにより、基板Sとヒーター15との接触面積が大きくなり、ヒーター15から発せられる熱の伝達効率が高められて、基板Sの温度が温度T1から温度T2、例えば350℃以上且つ450℃以下に上昇する(図4(f))。このとき、基板Sへの熱の伝導をより高めるために、温調ガス制御部TCから基板Sの裏面にアルゴンガスが圧力PAr、例えば400Paの圧力で供給される(図4(g))。 Next, argon gas is supplied from the mass flow controller MFC to the film formation space 11a at a flow rate F1 lower than the flow rate F2, for example, 20 to 100 sccm (FIG. 4A). By adjusting the flow rate and the exhaust system of an argon gas, film formation pressure is the reference pressure P TH higher pressure P H than reference pressure P TH pressure lower than P L, for example 0.01Pa and not more than 0.5Pa below It is changed (FIG. 4 (e)). Then, the voltage applied to the chuck electrode 16 from the chuck power supply G2 is changed from the chuck voltage V1 to the chuck voltage V2, for example, 800V. That is, “ON2” is selected as the chuck command by the main control unit 22. Thereby, the contact area between the substrate S and the heater 15 is increased, the efficiency of transfer of heat generated from the heater 15 is increased, and the temperature of the substrate S is changed from the temperature T1 to the temperature T2, for example, 350 ° C. or more and 450 ° C. or less. It rises (FIG. 4 (f)). At this time, in order to further enhance the conduction of heat to the substrate S, argon gas is supplied to the back surface of the substrate S from the temperature control gas control unit TC at a pressure P Ar , for example, 400 Pa (FIG. 4G). .

要するに、第2の工程では、
・真空槽11内の圧力が基準圧力PTH未満の低圧P
・バイアス用高周波電源G1が「OFF」
・チャックコマンドとして「ON2」
これらが選択された条件にて成膜処理が実施される。
In short, in the second step,
・ Low pressure P L where the pressure in the vacuum chamber 11 is lower than the reference pressure P TH
・ High frequency power supply G1 for bias is “OFF”
・ "ON2" as the chuck command
The film forming process is performed under the conditions where these are selected.

これによれば、図5(b)に示されるように、ターゲット18の被スパッタ面から放出された金属粒子MPは、成膜空間11a内の他の粒子との衝突し難く、放出角度の分布を維持して基板Sに着弾する。そのため、金属粒子MPは放出時に付与された飛行方向の指向性を有して基板Sにまで到達し、バルク層Lを形成する。加えて、金属粒子MPは、荷電粒子等によって散乱されることなく基板Sにまで着弾する可能性が高いため、基板Sにおける成膜速度が高く維持される。このとき、基板Sの温度が350℃以上且つ450℃以下とされるため、バルク層Lを構成するA−Cu合金の粒子は、第1の工程で形成
されたライナー層Lを構成するAl−Cu合金の粒子よりも大きい粒径にまで成長する。その結果、ライナー層Lとバルク層Lとの境界では、高温条件との協同によって、バルク層Lが流動性を有するようになる。そしてバルク層Lの流動によって凹部Hの内部にAl−Cu合金膜が流入することとなり、凹部HがAl−Cu合金膜によって埋め込まれることになる。
[実施例]
真空槽内の圧力と基板温度とが異なる第1及び第2の工程からなるスパッタ方法を用いて、基板に形成された凹部としてのビアホールにビアプラグを埋め込む成膜処理を実施した。そして第1及び第2の工程後のビアホール内の断面像と、第1の工程後のビアホール内の断面像とを走査型電子顕微鏡によって撮像し、各工程の埋め込み性を評価した。なお、スパッタ装置が有するターゲットとしては、Al−Cu合金を用いた。
According to this, as shown in FIG. 5B, the metal particles MP emitted from the surface to be sputtered of the target 18 hardly collide with other particles in the film formation space 11a, and the distribution of the emission angles. And landing on the substrate S. Therefore, the metal particles MP is a directivity of granted flight direction upon release reach the substrate S, to form a bulk layer L B. In addition, since the metal particles MP are highly likely to land on the substrate S without being scattered by charged particles or the like, the deposition rate on the substrate S is maintained high. At this time, since the temperature of the substrate S is set to 350 ° C. or higher and 450 ° C. or less, the particles of A-Cu alloy constituting the bulk layer L B constitutes the liner layer L L formed in the first step It grows to a particle size larger than that of the Al—Cu alloy particles. As a result, the boundary between the liner layer L L and the bulk layer L B, by cooperating with the hot conditions, the bulk layer L B comes to have fluidity. And will be Al-Cu alloy film is introduced into the recess H by the flow of the bulk layer L B, so that the recess H is filled with Al-Cu alloy film.
[Example]
Using a sputtering method comprising first and second steps in which the pressure in the vacuum chamber and the substrate temperature are different, a film forming process for embedding a via plug in a via hole as a recess formed in the substrate was performed. And the cross-sectional image in the via hole after the 1st and 2nd process and the cross-sectional image in the via hole after the 1st process were imaged with the scanning electron microscope, and the embedding property of each process was evaluated. Note that an Al—Cu alloy was used as a target of the sputtering apparatus.

・ビアホールの形状
開口部の直径 136nm
底面の直径 136nm
開口部と底部との間の長さ(ビアホールの深さ) 286nm
アスペクト比 2.1
・TS距離 45mm
・ターゲット電圧(DC) 14kW
・真空槽内の圧力(アルゴンガス供給流量)
第1の工程 20Pa(55sccm)
第2の工程 0.12Pa(30sccm)
・バイアス電圧(規格値)
第1の工程 200W(0.003W/mm
第2の工程 0W
・膜厚
ライナー層 200nm
バルク層 500nm
上記条件によれば、Al−Cu合金によってビアホール内が完全に埋め込まれていることが分った。また第1の工程により形成されたライナー層のうちビアホール底面の膜厚をTb、ビアホール側面の膜厚Td、開口外側の膜厚Toを測定した結果、ビアホール底面の被覆率(Tb/To×100)が39.5%であり、ビアホール側面の被覆率(Ts/To×100)が19%であった。そして、本実施の形態に記載のスパッタ方法を用いた成膜処理にあっては、同実施の形態に記載の各種条件が満たされていればライナー層による凹部の内表面の被覆率が高く維持されることが分った。また同実施の形態に記載の各種条件が満たされていればライナー層とバルク層とによって凹部の埋め込み性が高く維持されることも分った。
・ Shape of via hole Opening diameter 136nm
Bottom diameter 136nm
Length between opening and bottom (depth of via hole) 286 nm
Aspect ratio 2.1
・ TS distance 45mm
・ Target voltage (DC) 14kW
・ Pressure inside the vacuum chamber (Argon gas supply flow rate)
First step 20Pa (55sccm)
Second step 0.12 Pa (30 sccm)
・ Bias voltage (standard value)
1st process 200W (0.003W / mm < 2 >)
Second step 0W
・ Thickness liner layer 200nm
Bulk layer 500nm
According to the above conditions, it was found that the via hole was completely filled with the Al—Cu alloy. In addition, the thickness of the via hole bottom surface of the liner layer formed in the first step was measured as Tb, the thickness Td of the via hole side surface, and the film thickness To outside the opening. As a result, the coverage ratio of the via hole bottom surface (Tb / To × 100 ) Was 39.5%, and the via hole side coverage (Ts / To × 100) was 19%. And in the film-forming process using the sputtering method described in this embodiment, if the various conditions described in the embodiment are satisfied, the coverage of the inner surface of the recess by the liner layer is maintained high. I found out that it would be. It has also been found that if the various conditions described in the embodiment are satisfied, the embedding property of the recess is maintained high by the liner layer and the bulk layer.

以上説明したように、本実施の形態によれば、以下に列挙する効果が得られるようになる。
(1)第1の工程では、ターゲット18から放出された金属粒子MPとプラズマ中の荷電粒子IPとが衝突する圧力Pでターゲット18をスパッタして電荷を帯びた金属粒子MPを生成し、該電荷を帯びた金属粒子MPを凹部の内部に向けてバイアス電圧により引き込むようにした。これにより、第1の工程においては、スパッタされた金属粒子MPがプラズマ中の荷電粒子IPと衝突して電荷を帯びた金属粒子MPとなる。そして、基板Sの近傍である領域Cに到達する金属粒子MPは、プラズマ中の多重散乱により指向性を失うが、基板Sに印加されたバイアス電圧によって、基板Sに設けられた凹部の内部に向けて飛行するようになる。その結果、基板Sに設けられたれた凹部の底に金属粒子MPが到達しやすくなり、凹部の内表面における金属粒子MPの被覆率が向上される。
As described above, according to the present embodiment, the effects listed below can be obtained.
(1) In the first step, to generate the metal particles MP which a charged particle IP in the released metal particles MP and plasma were charged to sputter the target 18 by the pressure P H of collision from the target 18, The charged metal particles MP were drawn toward the inside of the recess by a bias voltage. Thereby, in the first step, the sputtered metal particles MP collide with the charged particles IP in the plasma to become charged metal particles MP. The metal particles MP that reach the region C in the vicinity of the substrate S lose directivity due to multiple scattering in the plasma, but the bias voltage applied to the substrate S causes the metal particles MP to enter the recesses provided in the substrate S. To fly towards. As a result, the metal particles MP can easily reach the bottom of the concave portion provided in the substrate S, and the coverage of the metal particles MP on the inner surface of the concave portion is improved.

(2)第2の工程においては、基板Sへのバイアス電圧が印加されていない状態で成膜を実施するようにした。そのため、プラズマ中のアルゴンイオンがバイアス電圧によって引き込まれて基板Sに付着した金属粒子MPをスパッタするいわゆる逆スパッタが抑えられる。   (2) In the second step, film formation is performed in a state where no bias voltage is applied to the substrate S. Therefore, so-called reverse sputtering in which argon ions in the plasma are attracted by the bias voltage and sputter the metal particles MP attached to the substrate S can be suppressed.

(3)第1の工程における基板Sの温度T1を第2の工程における基板Sの温度T2よりも低くした。これにより、凹部内に付着した金属粒子MPの粒径が第1の工程と第2の工程とで互いに異なるようになる。そのうえ、金属粒子が凹部内へ流動するように、第2の工程における基板の温度を第1の工程における基板の温度よりも高くした。その結果、第1の工程にて形成される金属膜と第2の工程にて形成される金属膜との界面において、第2の工程にて付着した金属粒子の流動性が促進されて凹部内に金属材料が埋め込まれやすくなる。つまり、単一のスパッタ装置を用いて金属材料を凹部内に埋め込む際に、該金属材料の埋め込み性を高めることが可能である。   (3) The temperature T1 of the substrate S in the first step is set lower than the temperature T2 of the substrate S in the second step. As a result, the particle diameters of the metal particles MP adhering in the recesses are different from each other in the first step and the second step. In addition, the temperature of the substrate in the second step was set higher than the temperature of the substrate in the first step so that the metal particles flow into the recesses. As a result, the fluidity of the metal particles adhered in the second step is promoted at the interface between the metal film formed in the first step and the metal film formed in the second step, so that It becomes easy to embed a metal material in. That is, when a metal material is embedded in the recess using a single sputtering apparatus, the embedding property of the metal material can be improved.

(4)第2の工程における真空槽11内の圧力が第1の工程よりも低い圧力とされるため、スパッタされた金属粒子MPと他の粒子との衝突頻度が第1の工程よりも低くなる。その結果、スパッタされた金属粒子MPが散乱され難くなる分、単位時間当たりに基板Sに到達する金属粒子MPの数が増加して成膜速度が第1の工程よりも高くなる。第2の工程においては金属粒子MPに与えられる流動性によって埋め込み性が担保されるため、この第2の工程の成膜速度が高くなる分、埋め込み性を維持しつつ処理速度を高くすることが可能となる。   (4) Since the pressure in the vacuum chamber 11 in the second step is lower than that in the first step, the collision frequency between the sputtered metal particles MP and other particles is lower than in the first step. Become. As a result, since the sputtered metal particles MP are less likely to be scattered, the number of metal particles MP that reach the substrate S per unit time increases, and the film formation rate becomes higher than in the first step. In the second step, the embeddability is ensured by the fluidity imparted to the metal particles MP. Therefore, the processing speed can be increased while maintaining the embeddability by the increase in the film formation rate of the second step. It becomes possible.

(5)チャック電極16に印加するチャック電圧によって基板Sの温度を変更するようにした。これにより、真空槽11内に生成されるプラズマの状態を変更させることなく、基板Sの温度のみを2段階に変更することができる。それゆえに、プラズマから基板Sへ供給される熱量に関わらず基板Sの温度のみを変更することが可能であるため、第1の工程や第2の工程における圧力等の各種の条件から基板Sの温度に関わる制約を取り除くことが可能である。ひいては、第1の工程や第2の工程における各種の条件の自由度を拡張させて、金属材料の埋め込み性をより向上させることが可能である。   (5) The temperature of the substrate S is changed by the chuck voltage applied to the chuck electrode 16. Thereby, only the temperature of the substrate S can be changed in two stages without changing the state of the plasma generated in the vacuum chamber 11. Therefore, since it is possible to change only the temperature of the substrate S regardless of the amount of heat supplied from the plasma to the substrate S, the substrate S can be changed from various conditions such as pressure in the first step and the second step. It is possible to remove the constraints related to temperature. As a result, the degree of freedom of various conditions in the first step and the second step can be expanded, and the embedding property of the metal material can be further improved.

(4)金属粒子MPの飛行距離であるTS距離DTSが30mm以上且つ90mm以下とし、且つ、第1の工程での圧力が5Pa以上且つ50Pa以下とし、且つ、高周波電力を7×10−4W/mm以上且つ7×10−3W/mm以下とした。これにより、放出された金属粒子MPと荷電粒子IPとの衝突と、電荷を帯びた金属粒子の引き込みとをより確実に起こすことができる。 (4) The TS distance DTS, which is the flight distance of the metal particles MP, is 30 mm or more and 90 mm or less, the pressure in the first step is 5 Pa or more and 50 Pa or less, and the high frequency power is 7 × 10 −4. W / mm 2 or more and 7 × 10 −3 W / mm 2 or less. Thereby, the collision between the released metal particles MP and the charged particles IP and the drawing of the charged metal particles can be caused more reliably.

(5)金属粒子MPの飛行距離であるTS距離が30mm以上且つ90mm以下とし、且つ、第2の工程における真空槽11内の圧力を0.01Pa以上且つ0.5Pa以下とした。これにより、ターゲット18をスパッタする粒子数を確保しながらも、スパッタ粒子と真空槽11内の各種粒子との衝突回数を抑制でき、上記成膜レートを向上させることができる。   (5) The TS distance, which is the flight distance of the metal particles MP, was set to 30 mm to 90 mm, and the pressure in the vacuum chamber 11 in the second step was set to 0.01 Pa to 0.5 Pa. Thereby, while ensuring the number of particles for sputtering the target 18, the number of collisions between the sputtered particles and various particles in the vacuum chamber 11 can be suppressed, and the film formation rate can be improved.

(6)第1の工程での基板Sの温度を20℃以上且つ200℃以下とした。これにより、第1の工程にて形成されるAl−Cu合金膜中の金属粒子の粒径の拡大が抑えられる。
(7)第2の工程での基板Sの温度を350℃以上且つ450℃以下とした。これにより、第2の工程にて形成されるAl−Cu合金膜の流動性が確実に発現可能となる。
(6) The temperature of the substrate S in the first step was set to 20 ° C. or more and 200 ° C. or less. Thereby, the expansion of the particle size of the metal particles in the Al—Cu alloy film formed in the first step is suppressed.
(7) The temperature of the substrate S in the second step was set to 350 ° C. or higher and 450 ° C. or lower. Thereby, the fluidity of the Al—Cu alloy film formed in the second step can be surely exhibited.

なお、上記実施の形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・チャックコマンドは「OFF」、「ON1」、「ON2」の3種類に限られず、4種類以上設定される構成であってもよい。またチャックコマンドによって設定されるチャッ
ク電圧の値は任意に変更することが可能である。
In addition, the said embodiment can also be suitably changed and implemented as follows.
The chuck command is not limited to three types of “OFF”, “ON1”, and “ON2”, and may be configured to set four or more types. Further, the value of the chuck voltage set by the chuck command can be arbitrarily changed.

・第2の工程では、基板Sの裏面にアルゴンガスを供給することとした。これに限らず、静電的な吸着力によって基板Sの温度が十分に高められるのであれば、アルゴンガスが供給されない構成でもよい。また、第2の工程で形成される金属膜中の結晶粒に流動性が与えられるのであれば、第1の工程と第2の工程との両方において、基板Sの裏面にアルゴンガスが供給される構成でもよい。   In the second step, argon gas is supplied to the back surface of the substrate S. However, the present invention is not limited to this, and a configuration in which argon gas is not supplied may be used as long as the temperature of the substrate S is sufficiently increased by an electrostatic adsorption force. Further, if fluidity is imparted to the crystal grains in the metal film formed in the second step, argon gas is supplied to the back surface of the substrate S in both the first step and the second step. It may be configured.

・真空槽11に供給されるアルゴンガスの供給流量を維持しつつ排気部の排気能力を変更することによって真空槽11内の圧力を調整する構成でもよい。また真空槽11に供給されるアルゴンガスの供給流量と排気部の排気能力とを変更することによって真空槽11内の圧力を調整する構成でもよい。   -The structure which adjusts the pressure in the vacuum chamber 11 by changing the exhaust capability of an exhaust part, maintaining the supply flow rate of the argon gas supplied to the vacuum chamber 11 may be sufficient. Moreover, the structure which adjusts the pressure in the vacuum chamber 11 by changing the supply flow rate of the argon gas supplied to the vacuum chamber 11, and the exhaust_gas | exhaustion capacity of an exhaust_gas | exhaustion part may be sufficient.

・上述したスパッタ装置は、磁気回路21を備えていない装置に具現化することも可能であり、また上述したスパッタ方法は、こうした構成からなる装置を用いて実行することも可能である。   The above-described sputtering apparatus can be embodied in an apparatus that does not include the magnetic circuit 21, and the above-described sputtering method can be executed using an apparatus having such a configuration.

・基板Sにバイアス電圧を印加するための高周波電力の供給先と、基板Sを静電吸着するためのチャック電圧の印加先とが別である構成とした。これを変更して、高周波電力の供給先と、基板Sを静電吸着するためのチャック電圧の印加先を単一の電極としてもよい。高周波電力の供給先となる電極と、直流電圧の印加先となる電極とを各別に基板ステージ14に内設する構成でもよい。   The high frequency power supply destination for applying the bias voltage to the substrate S is different from the chuck voltage application destination for electrostatically adsorbing the substrate S. By changing this, the supply destination of the high-frequency power and the application destination of the chuck voltage for electrostatically attracting the substrate S may be a single electrode. A configuration may be employed in which the electrode serving as the supply destination of the high frequency power and the electrode serving as the application destination of the DC voltage are separately provided in the substrate stage 14.

・第1の工程及び第2の工程の成膜圧力を定めるための基準圧力PTHは、金属粒子MPが荷電粒子IPと1回衝突する圧力に限られず、基板Sに形成された凹部の形状に応じて、金属粒子MPが荷電粒子IPとn回(n≧2)衝突する圧力でもよい。これは、凹部の形状によって、基板Sに印加されたバイアス電圧によって引き込まれるべき金属粒子MPの数と、凹部の内表面の被覆率とが異なるためである。 The reference pressure PTH for determining the film formation pressure in the first step and the second step is not limited to the pressure at which the metal particle MP collides with the charged particle IP once, but the shape of the recess formed in the substrate S The pressure at which the metal particles MP collide with the charged particles IP n times (n ≧ 2) may be used. This is because the number of metal particles MP to be drawn by the bias voltage applied to the substrate S and the coverage of the inner surface of the recess differ depending on the shape of the recess.

・Al−Cu合金を主成分とするターゲット18を用いて、Al−Cu合金膜を形成することとした。これに限らず、他の金属材料を主成分とするターゲットを用いて、アルミAl−Cu合金以外の金属からなる配線を形成するようにしてもよい。   -An Al-Cu alloy film was formed using the target 18 which has an Al-Cu alloy as a main component. However, the present invention is not limited thereto, and a wiring made of a metal other than an aluminum Al—Cu alloy may be formed using a target mainly composed of another metal material.

・チャック電圧を維持しつつヒーター15の温度を直接変更することによって基板Sの温度を変更する構成でもよい。またチャック電圧とヒーター15の出力とを変更することによって基板Sの温度を変更する構成でもよい。   A configuration in which the temperature of the substrate S is changed by directly changing the temperature of the heater 15 while maintaining the chuck voltage may be used. Further, the temperature of the substrate S may be changed by changing the chuck voltage and the output of the heater 15.

11…真空槽、11a…成膜空間、12…供給配管、13…排気配管、14…基板ステージ、15…ヒーター、15a…凹部、15b…温調ガス流路、16…チャック電極、17…防着板、18…ターゲット、19…ターゲット電極、21…磁気回路、22…主制御部、23…記憶部、G1…バイアス用高周波電源(バイアス電源)、G2…チャック電源、G3…ターゲット電源、H…凹部、HC…ヒーター制御部、L…バルク層、L…絶縁層、L…ライナー層、MFC…流量調量部、PU…排気部、S…基板、TC…温調ガス制御部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Vacuum chamber, 11a ... Deposition space, 12 ... Supply piping, 13 ... Exhaust piping, 14 ... Substrate stage, 15 ... Heater, 15a ... Recess, 15b ... Temperature control gas flow path, 16 ... Chuck electrode, 17 ... Prevention Attaching plate, 18 ... target, 19 ... target electrode, 21 ... magnetic circuit, 22 ... main control unit, 23 ... storage unit, G1 ... bias high frequency power supply (bias power supply), G2 ... chuck power supply, G3 ... target power supply, H ... recess, HC ... heater control unit, L B ... bulk layer, L I ... insulating layer, L L ... liner layer, MFC ... flow rate adjustment unit, PU ... exhaust unit, S ... substrate, TC ... temperature control gas control unit .

Claims (3)

真空槽内に生成されたプラズマ中のイオンで該真空槽内に設けられた金属ターゲットをスパッタすることによって該真空槽内に配置された基板が有する凹部の内部に金属材料を埋め込むスパッタ方法において、
前記基板にバイアス電圧を印加しつつ前記金属ターゲットをスパッタする第1の工程と、
前記基板にバイアス電圧を印加しない状態で前記金属ターゲットをスパッタする第2の工程とを前記真空槽内で順に実行し、
前記第1の工程では、前記金属ターゲットから放出された金属粒子と前記プラズマ中の荷電粒子とが衝突する圧力で前記金属ターゲットをスパッタして電荷を帯びた金属粒子を生成し、該電荷を帯びた金属粒子を前記凹部の内部に向けて前記バイアス電圧により引き込み、
前記第2の工程では、前記基板に付着する金属粒子が前記凹部内に流動するように前記基板の温度を前記第1の工程よりも高くして前記金属ターゲットをスパッタし、
前記金属ターゲットがアルミニウムを含んでなるターゲットであり、
前記金属ターゲットと前記基板との距離が30mm以上且つ90mm以下であり、
前記第1の工程では、
周波数が13.56MHzの高周波電力を前記基板に供給することによって前記基板にバイアス電圧を印加し、
前記真空槽内の圧力が5Pa以上且つ50Pa以下であり、
前記基板の温度が20℃以上且つ200℃以下であり、
前記高周波電力が7×10 −4 W/mm 以上且つ7×10 −3 W/mm 以下であり、
前記第2の工程では、
前記真空槽内の圧力が0.01Pa以上且つ0.5Pa以下であり、
前記基板の温度が350℃以上且つ450℃以下である
ことを特徴とするスパッタ方法。
In a sputtering method of embedding a metal material in a concave portion of a substrate disposed in the vacuum chamber by sputtering a metal target provided in the vacuum chamber with ions in plasma generated in the vacuum chamber,
A first step of sputtering the metal target while applying a bias voltage to the substrate;
A second step of sputtering the metal target without applying a bias voltage to the substrate in order in the vacuum chamber;
In the first step, the metal target is sputtered at a pressure at which the metal particles emitted from the metal target and the charged particles in the plasma collide to generate charged metal particles, and the charge is charged. The drawn metal particles are drawn into the recess by the bias voltage,
In the second step, the temperature of the substrate is set higher than that in the first step so that the metal particles adhering to the substrate flow into the recess, and the metal target is sputtered .
The metal target is a target comprising aluminum;
The distance between the metal target and the substrate is 30 mm or more and 90 mm or less,
In the first step,
A bias voltage is applied to the substrate by supplying high frequency power having a frequency of 13.56 MHz to the substrate;
The pressure in the vacuum chamber is 5 Pa or more and 50 Pa or less,
The temperature of the substrate is 20 ° C. or more and 200 ° C. or less,
The high-frequency power is 7 × 10 −4 W / mm 2 or more and 7 × 10 −3 W / mm 2 or less,
In the second step,
The pressure in the vacuum chamber is 0.01 Pa or more and 0.5 Pa or less,
The sputtering method, wherein a temperature of the substrate is 350 ° C. or higher and 450 ° C. or lower .
請求項1に記載のスパッタ方法において、
前記真空槽内に設けられて前記基板を静電的に吸着し、且つ、吸着力に応じた熱量で前
記基板を加熱する静電チャックを用い、
前記第1の工程では、前記静電チャックの電極に第1の直流電圧を印加する、
前記第2の工程では、前記静電チャックの電極に前記第1の直流電圧よりも高い第2の直流電圧を印加することによって、前記基板の温度を前記第1の工程よりも高くする、
ことを特徴とするスパッタ方法。
The sputtering method according to claim 1 ,
An electrostatic chuck that is provided in the vacuum chamber and electrostatically adsorbs the substrate and heats the substrate with an amount of heat corresponding to the adsorption force,
In the first step, a first DC voltage is applied to the electrode of the electrostatic chuck.
In the second step, by applying a second DC voltage higher than the first DC voltage to the electrode of the electrostatic chuck, the temperature of the substrate is made higher than that in the first step.
A sputtering method characterized by the above.
真空槽内に設けられた金属ターゲットを前記真空槽内に生成されたプラズマ中のイオンでスパッタすることによって前記真空槽内に配置された基板が有する凹部の内部に金属材料を埋め込むスパッタ装置において、
前記真空槽内の圧力を調整する圧力調整部と、
前記基板にバイアス電圧を印加するバイアス電源と、
前記基板の温度を調整する温調部と、
これら圧力調整部、バイアス電源、及び温調部の駆動態様を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記金属ターゲットから放出された金属粒子と前記プラズマ中の荷電粒子とが衝突するように前記真空槽内の圧力を調整することによって電荷を帯びた金属粒子を生成するとともに、該電荷を帯びた金属粒子を前記凹部の内部に引き込むように前記基板に前記バイアス電圧を印加する第1の工程を実行した後、
前記バイアス電圧を印加しない状態で、前記真空槽内の圧力を低くするとともに、前記基板に付着する金属粒子が前記凹部内に流動するように前記基板の温度を高くする第2の工程を実行し、
前記金属ターゲットがアルミニウムを含んでなるターゲットであり、
前記金属ターゲットと前記基板との距離が30mm以上且つ90mm以下であり、
前記制御部が前記第1の工程を実行するとき、
周波数が13.56MHzの高周波電力を前記基板に供給することによって前記基板にバイアス電圧を印加し、
前記真空槽内の圧力が5Pa以上且つ50Pa以下であり、
前記基板の温度が20℃以上且つ200℃以下であり、
前記高周波電力が7×10 −4 W/mm 以上且つ7×10 −3 W/mm 以下であり、
前記制御部が前記第2の工程を実行するとき、
前記真空槽内の圧力が0.01Pa以上且つ0.5Pa以下であり、
前記基板の温度が350℃以上且つ450℃以下である
ことを特徴とするスパッタ装置。
In a sputtering apparatus that embeds a metal material in a concave portion of a substrate disposed in the vacuum chamber by sputtering a metal target provided in the vacuum chamber with ions in plasma generated in the vacuum chamber,
A pressure adjusting unit for adjusting the pressure in the vacuum chamber;
A bias power source for applying a bias voltage to the substrate;
A temperature control unit for adjusting the temperature of the substrate;
These pressure adjustment unit, bias power source, and a control unit for controlling the driving mode of the temperature control unit,
The controller is
The charged metal particles are generated by adjusting the pressure in the vacuum chamber so that the metal particles emitted from the metal target and the charged particles in the plasma collide with each other. After performing the first step of applying the bias voltage to the substrate so as to draw particles into the recess,
In a state where the bias voltage is not applied, a second step is performed in which the pressure in the vacuum chamber is reduced and the temperature of the substrate is increased so that metal particles attached to the substrate flow into the recess. ,
The metal target is a target comprising aluminum;
The distance between the metal target and the substrate is 30 mm or more and 90 mm or less,
When the control unit executes the first step,
A bias voltage is applied to the substrate by supplying high frequency power having a frequency of 13.56 MHz to the substrate;
The pressure in the vacuum chamber is 5 Pa or more and 50 Pa or less,
The temperature of the substrate is 20 ° C. or more and 200 ° C. or less,
The high-frequency power is 7 × 10 −4 W / mm 2 or more and 7 × 10 −3 W / mm 2 or less,
When the control unit executes the second step,
The pressure in the vacuum chamber is 0.01 Pa or more and 0.5 Pa or less,
A sputtering apparatus, wherein the temperature of the substrate is 350 ° C. or higher and 450 ° C. or lower .
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