JPH03188267A - 薄膜の平坦化方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、薄膜の表面を電子ビームにより平坦化する
方法と装置に関する。

（従来の技術） 凹凸の激しい基板の表面に形成した薄膜、例えば半導体
素子の製造において見られるように、コンタクトホール
が形成された半導体基板の表面に形成した薄膜において
、前記コンタクトホールの部分に形成された孔を埋めて
平坦化したい場合がある。

前記コンタクトホールが、例えば直径ＩＩＪｎ１以下、
深さｌ−以上のように、間口が狭くて深い孔の場合、鎖
孔の中に例えば金属のような物質を埋め込むことは極め
て困難なことである。

前記のような間口が狭く、深い孔を埋める方法として、
これまでの所、以下の（１）乃至（３）のような方法が
提案され研究が進められている。

（１）バイアススパッタ法 （２）　　タングステンなどの特殊な物質を孔の部分に
のみ選択的に成長させる方法 （３）バイアススパッタ法で基板表面に薄膜を形成した
後、レーザー照射により薄膜を溶融し、溶融物を孔内に
流し込む方法 （発明が解決しようとする課題） 然し乍ら、前記の方法には現在の所、次のような問題点
があった。

（１）のバイアススパッタ法は、これまで色々な工夫が
されて来たが、孔を完全に埋めるのは難しいとみられて
いる。

（２）の特殊な物質の選択的成長は、材料が限定され（
現在の所タングステンのみ可能）、電気抵抗の小さい物
質、例えばＡｌ　、ＡｕＳＡｇなどの材料が使用できな
い。

（３）のバイアススパッタ法で薄膜を形成した後レーザ
ー照射により薄膜を溶融し、孔を埋める方法は、プロセ
ス余裕度（ｐｒｏｃｅｓｓ　ｗｉｎｄｏｗ）が狭い問題
点があった。即ちこの方法ではレーザー光により薄膜の
表面のみを溶融させて、溶融物を蒸発させることなく、
かつ孔内へ流動させる方法であり、レーザー光のパワー
密度を±７％の狭い範囲に制御する必要があると報告さ
れている（例えばＲｕｔｃｈｅｎ　Ｌｆｕ他Ａ　５ｔｕ
ｃｌｙ　ｏｒｐｕｌｓｅｄ　Ｌａ５ｅｒ　Ｐｌａｎａｒ
ｉｚａＬｉｏｎ　ｏｒＡｌｕｍｉｎｕｍ　ｒｏｒ　ＶＬ
ＳＩ　ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ、６ｔｈＩｎＬｅｒ
ｎａＬｉｏｎａｌ　ＩＥＥＥ　ＶＬＳＩ　Ｍｕｌｔｉｌ
ｅｖｅｌ　ＩｎＬｅｒｃｏｎｅｃｔｉｏｎ　　Ｃｏｎｒ
ｅｒｅｎｃｃ、５ａｎｔａ　　Ｃ１ａｒａ、ＣＡ、Ｊｕ
ｎｅ　　１２−１３゜１９８９にて口頭発表）。

一方、この方法で使用されるレーザーはエキシマレーザ
−である為、制御性が良くなく、前記上７％を長期に亘
って安定に保つことが難しかった。

この発明は以上のような問題点を解決し、新規な薄膜の
平坦化方法と装置を提供することを目的としている。

この発明の別の目的は長期に亘って安定な運転が可能な
薄膜の平坦化方法と装置を提供することを目的としてい
る。

この発明の他の目的は制御性に優れた薄膜の平坦化方法
と装置を提供することを目的としている。

（課題を解決する為の手段） この発明は電子ビームによって薄膜を制御性良く平坦化
するようにしている。

即ちこの発明の薄膜の平坦化方法は、表面の少くとも一
部に凹凸が形成され、該凹凸面に薄膜が付着した被処理
基板に対して、電子ビームを照射して前記凹凸面に付着
した薄膜の表面層を溶融させることにより、前記薄膜の
表面を平坦化することを特徴としている。

そして、上記の方法を実施する為のこの発明の薄膜の平
坦化装置は、被処理基板を真空中に保持する為の基板ホ
ルダーと、前記基板ホルダーと対向させた電子ビーム源
と、電子ビーム源と基板ホルダー間に設置した電子ビー
ムに対するレンズ系と偏向系とを備えていることを特徴
としている。

前記の方法および装置において、被処理基板は常温で扱
う場合と所定の温度（例えば４００℃）に加熱して扱う
場合とがある。又、電子ビームの加速電圧（加速エネル
ギー又はエネルギーとも言う）、電流（電流密度）並び
に照射時間は被処理基板の表面に付着した薄膜の材質や
表面状態に応じて予め定められるが、薄膜の凹凸パター
ン、温度、表面反射率（乱反射率も含まれる）、電気伝
導度等の少くとも一つを測定し、その結果に従って、前
記加速電圧、電流（電流密度）、照射時間等を制御する
ようにしても良い。

（作　　用） 電子は、そのエネルギーがＩ　ＫｅＶ程度であれば、薄
膜の表面層で、例えばアルミニウムの場合、表面から０
．０１＋ＪＩＴ１程度の侵入深さで殆んど熱に変る。従
ってこの発明の方法と装置によれば、被処理基板の凹凸
面に付着した薄膜の表面層を溶融させて、主として表面
張力により、凹凸面を平坦化することができる。この結
果、間口が狭く深い孔も埋めることができる。被処理基
板の前記薄膜以外の他の構造物には何ら影響を与えるこ
となく平坦化を行うことができる。

電子ビームの電力（加速エネルギー、電流、照射時間）
を制御することにより、アルミニウムを始め、その他各
種材料による薄膜の平坦化を行うことができる。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は実施例の薄膜の平坦化装置を示したものである
。装置は電子ビーム源１０、レンズ系２０、ビーム偏向
系３０、基板支持系４０および真空系５０て構成されて
いる。

電子ビーム源１０は一般的な電子銃と同様にエミッタ１
１、グリッド１２、アノード１３およびアパーチュア１
４が同軸上に配置されて構成されている。エミッタ１１
はポーラスタングステンに酸化物を含浸させたもので、
１．４ｃｍＸ１．４ｃｍ（２ｃＪ）の大形のものを使用
し、大電流の電子ビームか得られるようにした。

レンズ系２０は電磁コイル２１．２２で構成してある一
方、ビーム偏向系３０も電磁コイル３１で構成してある
。これらの系は種々変更が可能であり、例えば日本学術
振興会第１３２委員会編、「電子・イオンビームハンド
ブック」第１版および第２版（日刊工業新聞社発行）に
詳しく述べられているので、これらを参照して前記電磁
コイル３１を静電偏向板とするなど、目的に合せて系を
構成することが可能である。

前記エミッタ１１の寿命を長期化し、電子放射の性能を
安定に維持する為には、エミッタ１１を設けた電子ビー
ム源１０内を高真空に保って、エミッタ１１に対するイ
オン照射を極小とするのが望ましく、この為前記レンズ
系２０の中間部には隔壁］５を設けると共に、電子ビー
ム源１０に真空排気ポンプ（イオンポンプ）１６を接続
してある。前記隔壁１５は電子ビーム１７の通過に必要
かつ充分な微小孔１８を中央に穿設したものである。前
記微小孔１８に開閉バルブを設置して、被処理基板側が
大気にさらされる時も、開閉バルブを閉鎖して、エミッ
タ１１が大気にさらされないようにし、更に保護が確実
にてきるようにすることもできる。

基板支持系４０は、前記電子ビーム源１０に対向させた
基板ホルダー４１を備えている。基板ホルダー４１は加
熱ヒーター４２が埋設されて、上面に支持した被処理基
板４３を加熱できるようになっていると共に、ＸＹテー
ブル機構４４（矢示のみで表示）で、上面と平行な市内
で移動ができるようになっている。

又、この基板支持系４０には、前記被処理基板４３の表
面を観察する為の測定装置４５が設置してある。この実
施例の測定装置４５は被処理基板の凹凸パターンを観察
するＳＥＭとしたが、温度、表面反射率又は乱反射率、
電気伝導度等を測定する装置とすることもできる。

臭空系５０は、真空容器５１に弁５２．５２を設け、搬
送系５３（矢示のみて表示）で被処理基板４３を予備室
５４と処理室５５間で搬送できるようにしてある。予備
室５４と処理室５５には夫々真空排気ポンプ５６．５７
が接続してある。

次に上記実施例の装置で、被処理基板４３の表面に付着
した薄膜を平坦化させる方法について説明する。

初めに、前記装置の各県を動作させた後、被処理基板４
３を搬送系５３を介して通常行なわれる方法で、先ず予
備室５４へ送り込み、次いて処理室５５の基板ホルダー
４１上へと送り込む。基板ホルダー４１に支持された被
処理基板４３は、常温又は加熱ヒーター４２による加熱
により一定の温度に保ち、この状態で電子ビーム源１０
のエミッタ１１より電子ビーム１７を被処理基板４３の
表面に照射する。

電子ビームの照射は所定の電力で連続的に照射し、この
間被処理基板４３をＸＹテーブル機構４４で移動させる
方法と、所定の電力の電子ビームをパルス状に照射する
一方、被処理基板４３を間欠的に移動させる方法、更に
は所定電力の電子ビムを１ショット照射してある領域の
処理をした後、被処理基板４３を移動して次の領域にま
た１シヨツトの電子ビームを照射するなどの方法で行つ
Ｏ 第２図および第３図は、実施例の装置で処理した被処理
基板４３を示したもので、第２図が電子ビーム照射前、
第３図が電子ビーム照射後を表わしている。図中１がシ
リコン基板で、表面に直径ＩＩｘｎ、深さ１−の孔２が
多数形成されている（図は１つの孔２を拡大して示した
）。前記シリコン基板１の表面に、厚さ約０．１−のチ
タン膜３が付着され、その上に厚さ約ＩＩＪＩ１１のア
ルミニウム膜４を付着してある。アルミニウム膜４はバ
イアススパッタ法で付着させたもので、孔２の底部には
、一番厚い所で０．５−１側壁には一番薄い所で０．２
１Ｊｆｆ１程度の膜厚となっている。

前記被処理基板４３を基板ホルダー４１に支持し、４０
０℃の温度に保った状態で電子ビームのエネルギーをＩ
Ｋｅｙ、電流を２５Ａ（ピーク値）、ビームサイズを２
＋ｎｍＸ２ｍｍとして１００μｓｅｃ照射した所、アル
ミニウム膜４のみが溶融し、第３図に示したように孔２
がアルミニウムで埋められて、表面の平坦化を行うこと
かできた。孔２の底部とシリコン基板１との界面も殆ん
ど変化は認められなかった。

前記のような処理を繰り返し行っても、電子ビームはレ
ーザー等の放電現象に基づく方法と異なり、安定で精度
の高い制御を行うことができ、長期に亘って安定に運転
することができた。エミッタ１１の部分は隔壁１５と真
空排気ポンプ１６の協働により常に高真空に保つことが
でき、長期に亘って安定動作を確保することができた。

またアルミニウム膜４の膜厚を最適化（１〜１．５１Ｊ
ＩＴｌ）することにより、電子ビームのエネルギーをＩ
　ＫｅＶに保ち、電流を３３Ａ（＋３０％）から１８Ａ
（３０％）に変化させても前記と同様の結果が得られ、
第３図に示したような孔埋を行い平坦化をすることがで
きた。

前記アルミニウム膜４に対しては、エネルギーをＩ　Ｋ
ｃＶと一定にし、照射時間を５倍程度とするときは電流
値を１１５よりやや多め、時間を１／２とするときは電
流値をＬ／２よりやや多めの１．８倍程度とした場合に
良好な結果が得られた。

前記プロセス条件は、被処理基板４３に付着した薄膜の
材料、凹凸の形状、孔２周囲の形状等によって大きく左
右されるので、実験的に最適なプロセス条件を決定する
のが望ましい。薄膜と基板の間（第２図、第３図におけ
るチタン膜３の部分）に熱絶縁物がある場合には、前記
実施例の電流値の１／４程度（１８Ａ　（−３０％）の
場合４．５Ａ）以上であれば良好な結果か得られるが、
それ以下とすると薄膜が溶融せず、従って平坦化もされ
ない場合が多かった。

電流を少い値で運転をしたい場合は、電子の侵入深さを
考慮しながら条件を設定することが望ましい。電子の侵
入深さは、エネルギーの２乗に比例するので、エネルギ
ーを３　ＫｅＶとすると侵入深さは０．１−程度となり
、通常充分使える。したがって前記の電流値を１／３と
することができる。

さらにエネルギーを１０ＫｅＶとすると、侵入深さはお
よそＩＩＪＩＩ＋となり、薄膜の厚さが厚いときは使用
でき、電流値を前記の値の１／１０とすることができる
。これを整理するとアルミニウムの場合、第５図のよう
になる。縦軸にピーク電力量［エネルギー（ＫＶ）　Ｘ
　ｆＷ流（Ａ）×照射時間（μ５ｏＣ）、ツまりショッ
ト当りの電力量〕、横軸に電子ビームの照射時間（μ５
ｅｃ）をとり両者の関係を示した。熱伝導率の悪い層が
アルミニウム膜の下方にあり、条件の良い場合には曲線
Ａより上方のゾーンのピーク電力で、又通常の場合には
曲線Ｂより上方のゾーンのピーク電力で処理をするのが
望ましいことを示している。

前記の処理プロセスはいろいろな変形が可能である。例
えば測定装置４５のＳＥＭ像を記憶し、これによって電
子ビーム１７を制御することも可能である。−例を上げ
ると、第４図（ａ）に示すように、孔２．２が列状に並
んでいるとき、電子ビーム１７を棒状（第４図（Ｃ））
にして、パワーレベルを第４図（ｂ）に示すように孔２
の所で多くするなどは好適な変形制御例である。集積回
路においては、このような特徴ある孔分布があり、これ
に合せたビーム制御はこの装置の最も得意とする所であ
る。

この棒状ビームは細い円形ビームとした電子ビーム１７
を振る（高速スイープ）ことによっても実現できる。細
いビームを用いる時は自身のＳＥＭ像によりビーム形状
、エネルギー、電流値を最適値に制御することもできる
。

また、測定装置４５に非接触形温度計（例えば赤外温度
５１など）を設置し、アルミニウムの表面の温度を測定
しながら電子ビーム１７の照射の制御を行うことができ
る。例えば前記の実施例において、温度を所定の値に調
整するように照射時間を１００　ｎ　Ｓｅｅに対し増減
してもよい。１．００ｎＳｃｃ程度の短い時間に電子ビ
ーム照射系にフィードバックできない時には、温度情報
を電子ビームの次のショット、あるいは数回次のショッ
トにフィードバックしてもよい。ビームの制御はビーム
のエネルギーと電流を同時あるいは個別に行ってもよい
。孔埋と平坦化が良好に行われたかどうかは、表面の光
の反射によっても知ることができる。光の反射はショッ
ト全域あるいは一部、あるいは連続スイープの場合でも
その近くから取ることができる。この反射率（従って乱
反射率と量から見ることもできる）を前もって定めた値
と比較することによって、電子ビームのエネルギーと電
流を制御してもよい。検出用の光は一本でなく、複数本
、それも複数色で行えば一層の精度向上を行うことがで
きる。光は真上入射でも、すれすれを含めた斜め入射で
もよい。平坦化や孔埋が良好に進んだかどうかは、この
他に特定の場所間の電気伝導度からも知ることができる
。これらは別々にあるいは同時に組み合せて使うことが
できる。

以上主として材料はアルミニウムについて説明【７たか
、これらは他の材料についても適用できることはいうま
でもない。

（発明の効果） 以上に説明したように、この発明によれば、被処理基板
の凹凸面に付着した薄膜の表面を電子ビームで溶融する
ようにしたので、凹凸面の孔埋と平坦化を、種々の材料
について安定して行うことができる。又、電子ビームの
加速エネルギー、電４゜ 流、照射時間は容易に変化できるので、制御性も良くで
きる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の装置の実施例の概念図、第２図はこ
の発明の実施例で処理する被処理基板の処理前の一部拡
大断面図、第３図は同じく被処理基板の処理後の一部拡
大断面図、第４図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）はこの発明の
方法の他の実施例を示す図で、（ａ）は被処理基板の表
面を表わす図、（ｂ）は電子ビームの強度を表わす図、
（Ｃ）は電子ビームの断面形状を表わす図、第５図はア
ルミニウムの場合の処理条件を示す図である。 １・・・シリコン基板 ４・・・アルミニウム膜 １１・・・エミッタ １６・・・真空排気ポンプ １８・・・微小孔 ３０・・・ビーム偏向系 ４１・・・基板ホルダー ４３・・・被処理基板 ２・・・孔 １０・・・電子ビーム源 １５・・・隔壁 １７・・・電子ビーム ２０・・・レンズ系 ４０・・・基板支持系 ４２・・・加熱ヒーター ４５・・・測定装置 ５０・・・真空系　　　　　５３・・・搬送系５４・・
・予備室　　　　　５５・・・処理室５６．５７・・・
真空排気ポンプ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　表面の少くとも一部に凹凸が形成され、該凹凸面に
   薄膜が付着した被処理基板に対して、電子ビームを照射
   して前記凹凸面に付着した薄膜の表面層を溶融させるこ
   とにより、前記薄膜の表面を平坦化することを特徴とし
   た薄膜の平坦化方法 ２　被処理基板を加熱しながら電子ビームを照射する請
   求項１記載の薄膜の平坦化方法 ３　薄膜の凹凸パターン、温度、表面反射率、電気伝導
   度等の少くとも一つを測定し、測定情報を電子ビームの
   制御にフィードバックする請求項１又は２に記載の薄膜
   の平坦化方法 ４　被処理基板を真空中に保持する為の基板ホルダーと
   、前記基板ホルダーと対向させた電子ビーム源と、電子
   ビーム源と基板ホルダー間に設置した電子ビームに対す
   るレンズ系と偏向系とを備えていることを特徴とした薄
   膜の平坦化装置 ５　基板ホルダーには、被処理基板を加熱する為の熱源
   が付設してある請求項４記載の薄膜の平坦化装置 ６　被処理基板の表面を観察する為の測定装置が付設さ
   れ、該測定装置が電子ビーム源の制御装置にフィードバ
   ック情報を与えている請求項４記載の薄膜の平坦化装置