JPH0365013B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、基材表面上に材料層を付着しそして
平坦化するための方法および装置に関する。本発
明の好ましい態様の方法および装置は、特に超小
形電子デバイスの製作に有用である。 ［従来の技術およびその問題点］ 超小形電子デバイスは、通常、超小形電子素子
およびこれらの素子を覆う絶縁材料からなる一般
に平坦な層を含む、層構造体を含有する。これら
のデバイスの製造において、絶縁材料の層は小さ
い孔を有するように形成され、そして金属は該孔
を貫通して電子素子と接触するように該絶縁層の
上に付着される。次に金属層は腐蝕されて、種々
の電子素子へ延びる分離した導線を形成する。典
型的には、蒸発、気相反応工程又は最も典型的に
はスパツタリングにより、気相から絶縁層上に付
着される。 スパツタリングにおいて、イオンはスパツター
源又は“ターゲツト”の方に押し出されて該源の
原子（“吸着原子（adatoms）”ということがあ
る）を追い出し、次に該原子は被覆すべき基材上
に付着して層を形成する。通常、その工程は、ガ
スイオンと遊離電子のプラズマ又は混合物を作り
そして該イオンを電界の影響下にあるスパツター
源に導くことにより、非常に低い減圧下で行われ
る。電界は、典型的には負の直流（DC）電圧又
は無線周波数（“RF”）励起信号をスパツター源
に適用することにより発生させる。RF励起信号
がスパツター源に当てられた場合、スパツター源
もまた負に荷電される。何故なら、当業界で良く
知られているように、プラズマとスパツター源と
の間の境界は整流器として作用するからである。
RFスパツタリングはほぼ世界共通に、いわゆる
“ISM”周波数（工業的、科学的および医学的周
波数）と呼ばれる13.56MHzおよびそれより高い
ISM周波数でのRF励起を用いて行われる。装置
からの漂遊（stray）無線周波数放出を管理する
調整は、ISM周波数に対してはその他の周波数に
対するよりもはるかに厳格でない。 付着した金属は絶縁層内の孔を完全に充たして
なく、従つて完成デバイスに信頼性のある誘導性
経路を与えないかもしれない。該孔の全表面積は
絶縁層上部表面の面上の孔の開口部の面積よりも
大きいので（穴は側面を有する）、単位表面積当
りの孔内に付着した材料の平均量は平坦な上部表
面上に付着した該材料の平均量よりも少ない。更
に、開口部の近くに付着した材料は孔壁面のより
深い部分をマスクする傾向があり、壁面は特に被
覆度が低くなりそして付着材料中で空洞およびア
ンダーカツトが形成される結果となる。絶縁層か
ら離れた層である金属層の上部表面は通常、絶縁
層内に初めから存在した孔の上に位置する領域
で、でこぼこ又はへこみを有する。かかるでこぼ
こは、デバイスの組立て中に他の層が金属層上に
付着するにつれて、更に激しいでこぼこを発生さ
せる傾向がある。不均一な付着によつて生じる空
洞又はアンダーカツトはまた、後の組立て工程で
加工上の問題を引き起こす。孔により生じる問題
と同様に、不完全な充填およびでこぼこな上部表
面構造の問題が、気相蒸着層により被覆しようと
する層中の溝のような、その他の非平坦特性があ
る場合に生じる。これらの問題はまた、金属以外
の材料の層を付着する場合にも起こる。 これらの問題は、超小形電子器具の製造および
デザインのその他の領域において特に、次第に重
大となつてきた。これらの問題の全ては、孔およ
び溝のような特性の寸法が減少するにつれて、そ
して層構造の厳格さが増大するにつれて（即ち、
被覆すべき基材層中の孔、溝等の壁面が基材層の
平面に対してほぼ垂直になるにつれて）、悪化す
る。しかしながら、半導体デバイスを更に小形化
するためには、ますますより小さい孔、溝等を用
いそしてますますより厳格な層構造を用いること
が必要である。従つて、上記の問題は超小形電子
技術の進歩に重大な障害を生じていた。 従つて、当業界は付着層を“平坦化する
（planarize）”ことができる方法、即ち、付着層
が下の基材層中の孔およびへこみをより完全に充
填することができそして付着層上により滑らかな
上部表面を付与する方法、を追求した。平坦化は
単に付着した金属又はその他の層を溶融すること
により達成できる、ということが今まで知られて
いる。例えば、スパツタリング法においては、ス
パツター材料の吸着原子が層と合体するにつれ
て、金属又はその他のスパツター付着層にかなり
のエネルギーが移行され得る。このエネルギーの
大部分は典型的には熱に変換される。層全体の温
度はスパツター材料の固相線温度（最低溶融温
度）より高く上昇し得るので、該材料の内部流動
が起こる。かかる内部流動は効果的に孔を充填
し、スパツター層上に平らな上部表面を付与す
る。しかしながら、合金属から元素の分離、層内
での金属粒の成長、下部の電子素子の熱損傷等の
ような望ましくない影響により、殆んどの半導体
への適用において、溶融は望ましくない。 提案されている他の方法は、スパツタリング法
において付着層のイオン衝撃および／又は“再ス
パツタリング（resputtering）”に依存している。
ホンマ（Homma）等による“RFバイアスを用
いたRF／DCスパツタリングによるアルミニウム
の平面状付着”、ジヤーナル オブ エレクトロ
ーケミカルソサイエテイ、第132巻、No.６、1466
〜1472頁（1985年）、に開示されているように、
スパツタリングによるアルミニウム層の付着工程
の間、RF励起を基材並びにターゲツト又はスパ
ツター源に適用することができる。従来のスパツ
タリングと全く同じように、再スパツタリングに
おいて約13.56MHzの周波数でRF励起が適用され
る。実際には、基材表面上に付着した金属層は別
のスパツター源又はターゲツトとなる。プラズマ
からのイオは該層に衝突しそして付着金属の原子
を該層の上部表面から追い出す。追い出された物
質のいくらかは孔又はその他の表面不整を充填し
そして付着層の低い部分を充填する傾向がある。 溶融法の悪影響の少なくともいくつかは、再ス
パツタリング法を用いることにより回避又は緩和
される。しかしながら、再スパツタリングは金属
付着工程を著しく遅延する。金属がこの主要なス
パツタリング工程により層に付着されるが、金属
のいくらかは再スパツタリングにより除去され
る。中程度の基材層構造体を用いても良好な平坦
化を達成するためには、約50％ないし約70％の再
スパツタリング率が必要と考えられる。言い換え
ると、所定の時間内に付着した金属の50％は再ス
パツタリングにより失われる。従つて、正味の付
着率は著しく減少し、スパツタリング設備の生産
性はひどく削減される。更に、層に衝突するイオ
ンは該層を加熱する傾向がある。層への全熱入量
を限界内に維持しそして層の溶融を回避するため
に、スパツターされた吸着原子により供給される
熱入量を減少させてこの作用を埋め合わせなけれ
ばならない。従つて、本質的なスパツタリング率
自体は、再スパツタリングを用いずに行つた場合
よりも低くなる。この因子により、再スパツタリ
ングにより引起こされる損失と組合わされて、正
味の付着率は再スパツタリングを用いない場合に
達成され得る付着率に対して約10％以下となる。
言い換えると、工程時間、従つて工程コストは、
RF再スパツタリング法を用いると10倍に増大す
る。 スケリー（Skelly）等によるJ.Vac.Sci.
Technol.A、第４巻、No.３、457〜460頁（1986年
５月／６月）に教示される他の方法は、基材に
DCバイアスを適用する方法であり、同様にその
間スパツタリング工程において基材はプラズマの
近くにある。DCバイアスはまたプラズマからの
イオによる層への衝突を引き起こす。これはある
程度平坦化をもたらすといわれている。しかしな
がら、平坦化効果は主として該工程をかなり長い
時間操業した後に起こるので、平坦化効果は少な
くとも部分的には該工程中に層内に発生した熱に
より引き起こされることを示している。従つて、
DCバイアス法は層材料の内部溶融を包含するの
で、上記の単純な溶融法に伴うある種の欠点を有
する。DCバイアスを用いた、単位面積当りのイ
オン束又は衝突イオン数は“ラングミユア効果”
により必然的に制限されるので、工程効率を損
う。更に、DCバイアス法は典型的にはその上、
再スパツタリングを典型的には約10％ないし約30
％の再スパツタリング率となるようにする。従つ
て、DCバイアス法はスパツタリング操作の生産
性をかなり低減しそしてそのコストを増大させ
る。 ［問題点を解決するための手段］ 本発明の一つの側面は、約5KHzから約1MHz、
好ましくは約50KHzから約450KHz、そして最も
好ましくは約100KHzから約250KHzの特定の周波
数範囲での基材RF励起を用いることにより、著
しく優れた結果が達成できることの発見を含む。
本発明のこの側面による方法において、層形成性
物質、最も好ましくは金属、は気相から基材表面
上に付着して層を形成し、該層はプラズマに暴露
され、そして上述した周波数範囲内でのRF励起
が基材に適用される。基材に適用されたRF励起
は基材上にバイアスを誘導するので、気相からの
付着により層が形成されるにつれて、プラズマか
らのイオンが該層を衝撃する。好ましくは、RF
励起の振幅は、バイアス電圧が約100から約500ボ
ルトの間、更に好ましくは約100から約400ボルト
の間になるように選択する。本発明に従つて好ま
しい周波数範囲で基材をRF励起すると、衝撃イ
オンは層の表面上に付着した物質を該表面からす
つかり追い出すのではなく移動させる傾向があ
る。従つて、実質的な表面移動がわずかな量の再
スパツタリングで達成することができる。本発明
の好ましい操作においては、再スパツタリング率
又は衝撃イオンにより追い出される層の物質の割
合は、該物質が層に付着する割合の約10％未満で
ある。 更に、この高められた表面移動度は、フイルム
内での望ましくない溶融、粒成長および分離が防
止されるように、形成された層の内部温度が、付
着した物質の固相線温度より低い、十分に低い価
に維持されていても達成される。言い換えると、
本発明の好ましい態様による工程は、層の内部溶
融なく、層を平坦化するに十分な表面移動度を与
える。最も好ましくは、層の内部温度は、基材の
温度を制御するなどにより工程の間制御して、層
内部温度を付着した物質の固相線温度よりも十分
低く保持する。好ましくは該物質はスパツタリン
グにより層に付着する。このように、スパツター
源をプラズマに暴露し、そして層物質の吸着原子
をスパツター源の侵食表面から基材表面上にスパ
ツターする。スパツター源は基材と並べて置いて
もよく、これにより両者は同時にプラズマに暴露
される。スパツター源から基材表面へのスパツタ
リングは、RF励起又はDCバイアスをスパツター
源に適用することにより生じさせることができ
る。 本発明の好まし態様による方法は、物質を気相
から基材表面上に付着させて層を形成し、その間
該層を該物質の固相線温度未満の内部温度に維持
しそして該層にイオンを衝撃させることにより該
層の表面上の該物質を実質的に移動させ、そして
これにより、イオン衝撃により引き起こされる層
物質の再スパツター率を付着率の約10％以下また
は未満に維持しながら平坦化を促進することを特
徴とする。移動の程度は“表面移動パラメータ
ー”で示される。本願明細書に用いられているよ
うに、“表面移動パラメーター”の用語は原子が
表面に沿つて動く平均距離を意味する。表面移動
パラメーターは、層の上部表面上の固相と気相と
の間の界面での原子の運動エネルギー又は温度と
直接関連する。本願の方法において、この表面温
度は典型的には層の内部温度、即ち上部表面から
離れた層の温度、と異なる。好ましくは、本発明
の方法は約１マイクロメートル又はそれ以上、好
ましくは約1.5マイクロメートル以上に相当する
表面移動パラメーターを与える。かかる表面移動
パラメーターは、層物質の溶融温度範囲よりも十
分高い温度範囲を意味する。本発明の好ましい方
法は、層の内部温度が溶融範囲よりも十分低い
（即ち該物質の固相線温度よりも低い）場合でさ
えも、このような高い表面移動パラメーターを与
える。言い換えると、本発明の好ましい方法は、
表面温度と内部温度との間に実質的な差を生じさ
せる。 表面移動性、従つて平坦化効果は、付着層の内
部温度を室温よりも高い温度に維持することによ
り、更に高めることができる。表面温度と内部温
度との差が一定の場合、表面温度、従つて表面移
動度は直接的に内部温度に従つて変化する。本発
明の好ましい態様に従つて達成される、表面温度
と内部温度との著しい差により、比較的低い内部
温度においてさえも高い表面移動パラメーターが
与えられるが、それでも層の内部温度を室温以
上、特に約150℃以上であつて付着材料の固相線
温度未満の温度に維持するのが好ましい。金属お
よび金属合金、そして特にアルミニウム又はアル
ミニウム系合金（約50％より多くのアルミニウム
を含む合金）の付着においては、層の内部温度が
約150゜から約525℃、最も好ましくは約475゜から
約525℃の間の場合に、最も良い結果が達成され
る。層の内部温度と基材の温度は典型的には互い
に近い。何故なら、層と基材との間に良好な伝熱
があるからである。層の内部温度は、工程中に基
材から熱を抜き出すことにより、或いは付着速度
を制御することにより付着した層材料による層お
よび基材への熱付与速度を制御することにより、
制御することができる。層の内部温度もまた一時
的に工程を中断し、中断中に基材から熱を抜き出
しそして次の工程を再開することによつても制限
することができる。この方法は、基材からの伝熱
速度が制限されている場合に特に有意義である。 本発明により達成される平坦化は、スパツター
源と基材との間の特定の幾何学的関係により更に
高めることができる。殆んどの典型的な適用にお
いて、基材表面は一般に平坦（即ち、大部分の面
積又は領域が特定の平面内にあり、切欠き、溝、
孔および該平面から外れたその他のへこみは僅か
な面積を占める表面）である。平坦化は、一般に
平坦な侵食表面を有するスパツター源を使用し、
そしてスパツター源と基材表面とを、侵食表面の
平面と基材表面の平面が鋭角、好ましくは約10゜
ないし約45゜、そして最も好ましくは約30゜、をな
すように位置させることによつて、高められる。
従つて、侵食表面からスパツターされる吸着原子
は、基材表面に垂直の方向に対して斜めに向かう
傾向がある。従つて、吸着原子は該表面の平面に
沿つていくらかの運動量を与え、これにより層材
料が表面に沿つて再分布するのを更に増進する。
平坦化は、工程中に基材をスパツター源に対して
相対的に動かすことにより、例えば基材を基材表
面の平面に垂直な軸の周りに回転させることによ
り、更に高めることができる。 本発明はまた、本発明の方法を実施するための
装置を提供する。該装置は好ましくは、基材を保
持するための手段および物質を基相から基材表面
上に付着させて該物質の層を形成するための手段
を含む。該装置はまた好ましくは、付着手段の作
動中に基材表面の近くでプラズマを与えるための
手段、およびRF励起を約5KHzないし約1MHzの
周波数で基材に適用するためのRF出力手段（RF
power means）を含む。典型的には該付着手段
は、侵食可能な表面が一般に基材に面するよう
に、基材の近くに該侵食性表面を有するスパツタ
ー源を保持するための手段、および該侵食性表面
から物質を基材表面上にスパツターさせるために
スパツター源にバイアスをかけるためのスパツタ
ー源出力手段（power means）を含む。この配
置において、プラズマー出力手段はスパツター源
出力手段を含んでもよい。先の好ましい工程の記
述からわかるように、基材RF出力手段は、基材
に特定の励起周波数を供給し、この供給が平坦化
を促進する。 本発明が更に十分に理解されるために、添付図
面を参照して記述する。 本発明の一態様による装置はプロセス室１０を
含む。基材ホルダー１２が該室１０内に、該室の
側壁内の絶縁された回転貫通端子１６を貫通して
延びたシヤフト１４上に取り付けられている。シ
ヤフト１４および基材ホルダー１２は該室１０の
壁面と同様に導電性金属成分からなるが、シヤフ
トおよび基材支持具は貫通端子１６により該室の
壁面から電気的に絶縁されている。シヤフト１４
はモーター１８に連結されているので、該シヤフ
トはその軸の周りで回転することができる。基材
ホルダー１２には電気抵抗加熱素子２０および冷
却コイル２２が設けられ、該素子および該コイル
は適当な加熱出力源および冷却源（図示されてい
ない）に連結されている。基材ホルダーは一般に
平坦な前表面２４、および前表面２４上に半導体
ウエーハーのような平坦な被加工物を保持するた
めのクランプ２６を有する。シヤフト１４の軸は
一般に水平であり、そして前表面２４は実質的に
垂直な平面内にある。 シヤフト１４および基材ホルダー１２は、DC
−ブロツクコンデンサー２８およびインピーダン
ス整合ネツトワーク３０を通じて低周波数基材
RF出力源３２に電気的に連結されている。RF出
力源は約5KHzないし約1MHzの範囲の周波数で
RF励起を与えるように配置されており、これら
の励起の振幅および周波数は制御手段３４により
制御可能である。 平面形状のマグネトロンスパツター源アセンブ
リー３６もまたプロセス室１０内に設けられてい
る。スパツター源アセンブリー３６は、平面上の
スパツター源４０を保持するために配置されたタ
ーゲツト又はスパツター源ホルダー３８、および
スパツター源４０の付近に一般にアーチ状の磁界
を与えるように配置された磁石４２を含む。平面
形状のマグネトロンの構造および操作は慣用であ
りそしてスパツタリング業界で良く知られている
ので、詳しく記述する必要はない。本発明の好ま
しい形態において、スパツター源ホルダーは、ス
パツター源４０の前面又は侵食表面４２が室１０
内で一般に垂直方向に広がり、そして侵食表面４
２が基材ホルダー１２の平坦な前表面に対して鋭
角となつて配置されるように、スパツター源４０
を維持するために配置される。スパツター源アセ
ンブリー３６もまた、室１０の壁面から電気的に
絶縁されたスパツター源又はターゲツト４０を維
持するための適当な手段、およびスパツター源４
０をスパツター源RF出力供給源４４に連結する
ための導線を含む。出力供給源４４は、RF励起
を励起周波数13.56MHzでスパツター源４０に適
用するように設置されている。これらの励起の振
幅は制御手段３４により制御可能である。慣用の
真室ポンプ集成装置４６および不活性ガス供給手
段４８もまた室１０の内部に連結されている。慣
用の機器４９もまた、室１０内の圧力および該室
内の目的物の温度を監視するために該室内に連結
されている。 本発明の一態様による方法において、基材５０
はホルダー１２の一般に平坦な前表面２４上に設
けられる。第２図で最も良くわかるように、基材
５０は多層半導体構造を含む半導体ウエーハーで
ある。該構造体は電気絶縁性の裏面層５２、活性
な半導体デバイス領域又は素子５４および電気絶
縁性の前面層５６を含む。前面層５６は平らな共
面領域５９を含む一般に平らな前表面５８、およ
び領域５８の平面に垂直に基材内を活性半導体デ
バイス５４まで延びている通路孔（via hole）６
０を有する。理解されるように、これらの特徴の
大きさは第２図で大きく誇張されている。典型的
には、各層は厚さが２ミクロメートル又はそれ以
下程度である。孔６０の直径ｗは約１ないし２マ
イクロメートルであり、そして該穴の深さｄは約
１ミクロンであつてもよい。本明細書で孔に関し
て用いられる“アスペクト比”の用語は、孔の深
さを孔の直径で割つたものを意味する。孔６０は
約0.5又はそれ以上、そして特に厳しい表面状態
を有するウエーハーにおいては約1.0又はそれ以
上のアスペクト比を有し得る。また、穴の周辺壁
は領域５９の平面に実質的に垂直に広がり得る。
また理解されるように、基材５０全体は数千の活
性半導体デバイス５４および数千の通路孔６０を
含む。また基材の前表面は、領域５９から基材内
部に延びた溝、切欠き等のその他のくぼみを含み
得る。 工程において、スパツター源４０はスパツター
源ホルダー３８に取り付けられ、そして基材５０
はホルダー１２の前表面２４上に保持具２６によ
り取り付けられるので、スパツター源および基材
の夫々の前表面４２および５８は室１０内で垂直
方向に延び、そして基材の前表面５８は一般にス
パツター源の前表面４２に面している。スパツタ
ー源および基材の夫々の前表面４２および５８は
両面間で鋭角を成す。この角度は好ましくは約
10゜から約45゜そして最も好ましくは約30゜である。
スパツター源４０は基材上に付着させる材料から
成る。例示された方法において、スパツター源は
約94％のアルミニウムと約６％の銅の合金から形
成されている。 真空ポンプ４６および不活性ガス源４８は室内
を脱気し、該室を実質的に純粋なアルゴンで満た
し、そして該室内を内部圧力約5x10^-7トル未満、
好ましくはそれより低い圧力にするように作動す
る。従つて、該室は高度に希薄化された、実質的
に純粋なアルゴン雰囲気を含む。ヒーター２０
は、基材ホルダー１２、従つて基材５０を約150
℃から約450℃、最も好ましくは約250℃から約
350℃の予備加熱温度に予備加熱するように作動
する。スパツター源RF出力手段４４はスパツタ
ー源又はターゲツト４０にRF励起を適用するよ
うに作動する。RF励起はスパツター源４０の侵
食表面４２と室１０の壁面との間に自己持続性放
電を生じさせ、これにより室内の希薄化されたア
ルゴンガスをプラズマに変換する。磁石４２は、
用いた低ガス圧にて自己持続性グロー放電の発生
を助ける。 グロー放電により発生したプラズマは、正に荷
電したアルゴンイオンと遊離電子とを含む。スパ
ツター源に適用されたRF励起は強い負のバイア
スを誘発するので、プラズマからのアルゴンイオ
ンはスパツター源の侵食性表面４２に衝突して、
アルミニウムおよび銅原子の非荷電吸着原子６２
を追い出す。これらの追い出された原子６２は気
相状態にあり、基材５０の上部表面５８の方へ進
む。遊離した金属の吸着原子６２は一般に、表面
４２から５８へと真直な線状の経路をたどらな
い。また、該吸着原子は表面５８に多くの種々の
方向に指向した速度で到達する。しかしながら、
これらの種々の速度全体のベクトル合計は一般に
表面４２に垂直な方向に沿つている。 該吸着原子６２は基材の表面上に到着しそして
基材の前表面５８上の付着層６４に蓄積する。到
着する吸着原子６２は上部表面５８に平行な方向
にかなりの速度成分を有するので、該層の前に付
着した部分に突き当たつた吸着原子は、該層と蒸
気相との界面で該材料を基材前表面に平行な方向
に移動させる傾向がある。また、付着工程中、モ
ーター１８が作動してシヤフト１４を回転させ、
従つて基材５０を上部表面５８に垂直な軸の周り
で回転する。好ましくは回転速度は、基材ホルダ
ーの一回転中に層の１％未満が付着するように、
そして回転速度が少なくとも約50rpmとなるよう
に選ばれる。吸着原子により付与される運動量
は、一回転中に異なる時点で基材前表面に平行な
種々の方向に向くであろう。 基材RF供給手段３２はDC制御RF励起をシヤ
フト１４に、従つて基材ホルダー１２および基材
５０の供給するように作動する。基材に適用され
たRF励起は、基材の上部表面５８上に負のDC電
位又はバイアスを誘発する。このバイアスの強さ
は、典型的にはRF励起のピークピーク電圧の約
１／２である。振動するRF励起電位およびDCバイ
アスの影響下で、アルゴンイオン６６（第２図）
は基材の方向へ加速され、従つて成長層６４を衝
撃する。これらのアルゴンイオンは、成長層の表
面でアルミニウムおよび銅吸着原子６２と相互に
作用する。理解されるように、第２図はかかる相
互作用の理想化された理論的概念を示すもので、
本発明はかかる作用理論に限定されない。作用機
構に関係なく、成長層を衝撃するアルゴンイオン
は付着した層材料を易動化し、従つて付着材料は
層内の低い箇所、即ち基材上部表面５８内の通路
孔６０およびその他のへこみ（図示されていな
い）、の中に広がる。易動化材料はかかるへこみ
内を充填しそして第３図に示されるように、付着
層上に実質的に平らな上部表面を与える傾向があ
る。また、本発明はいかなる作用理論によつて限
定されるものではないが、この効果は一部は遮へ
い現象から生じるものと思われる。従つて、低い
箇所又はへこみ内に配置された材料は、ある程度
衝突アルゴンイオンから遮へいされる。金属原子
間の相互作用等のその他の効果もまた役割を果し
得る。 基材５０に適用されたRF励起の周波数および
振幅は、達成された易動化効果に影響を及ぼし、
そしてまたその他の望ましくない効果にも影響す
る。上記のように、基材RF励起周波数は約5KHz
から約1MHzの間、好ましくは約50KHzから約
450KHzの間、そして最も好ましくは約100KHzか
ら約250KHzの間にすべきである。好ましくは、
RF励起の振幅はプラズマに関して約100ないし約
500ボルト、より好ましくは約100ないし約400ボ
ルトの基材バイアス電圧を与えるように選択す
る。従つて、基材に適用されるRF励起信号のピ
ークピーク振幅は、約200ないし1000ボルト、好
ましくは約200ないし約800ボルトにすべきであ
る。基材のRF励起は、好ましくは基材５０およ
び付着層６４を通過してプラズマに電力束を、基
材前表面面積１平方センチメートル当たり約1.5
ワツト未満、より好ましくは約1.3ワツト／cm²未
満、最も好ましくは約0.5ないし約1.3ワツト／cm²
付与する。 上記の特定の周波数において、アルゴンイオン
と吸着原子との間の層表面における相互作用は、
再スパツタリングよりはむしろ易動化を促進する
傾向がある。このようにして、十分な平坦化を非
常に低い再スパツタリング率で、典型的には約10
％未満の再スパツタリング率で達成することがで
きる。即ち、好ましい周波数範囲でのRF励起か
ら生じる衝撃イオンは、イオン運動エネルギーを
再スパツタリング（即ち、層表面から材料を完全
に蒸気相に追い出すこと）よりはむしろ移動に変
換するのに有利な特定のエネルギー分布を有する
傾向がある。RF励起の影響下で表面を衝撃する
プラズマからのイオンのエネルギー分布を予測
し、そしてバイアス電圧を励起振幅と関係づける
式は、良く知られている。これらの式は例えば、
“RFスパツタリングにおけるイオン衝撃エネルギ
ーの計算およびその分布”、フイズイカル レビ
ユー、第168巻、No.１、1968年４月５日、第107〜
113頁、R.T.C.ツイ（Tsui）著、の文献に記載さ
れている。この文献の開示を本明細書に参考用と
して含める。ツイの文献に更に詳しく述べられて
いるように、表面を衝撃するイオンは、RF励起
により誘発されるバイアス電圧に対応した所定の
中心エネルギーレベルVoを中心とするエネルギ
ー分布を有する傾向があり、その電圧はRF励起
のピークピーク振幅のほぼ1/2に等しい。約
13.56MHzの励起周波数を用いると、エネルギー
分布はVoの周りに接近して集まる。従つて、イ
オンエネルギー分布は、同じ電圧VoのDCバイア
スから生じるエネルギー分布と実質的に同じであ
る。しかしながら、本発明で用いられる好ましい
範囲の励起周波数については、イオンエネルギー
分布はより幅広くなり、比較的低いエネルギーの
イオンをかなりの部分で含む。更に、本発明はい
かなる作用機構理論によつても限定されないが、
本発明で好ましいRF励起の影響下で成長層上に
衝突する比較的低エネルギーのイオンのかなりの
数のイオンが移動にかなり寄与するが、しかし評
価できる程の再スパツタリングを引き起こさない
と確信される。 特定の基材に対する特定の励起周波数は、二つ
の重要な効果を考慮して選択することができる。
第一に、前に説明したように、より低い周波数は
より幅広い衝撃イオンエネルギー分布を与える傾
向があり、従つて移動に寄与するが再スパツタリ
ングには認知できる程は寄与しない衝撃イオンの
割合が大きくなる傾向がある。しかしながら、基
材が用いた条件下にてかなりの容量性リアクタン
スを有する電気絶縁体である場合、RF励起は基
材を貫いて交流電位差を誘発する傾向がある。従
つて、一定の瞬間において、基材の前表面５８は
基材ホルダー１２と接触している裏表面と僅かに
異なる電位にあり得る。これらの電位差は、基材
の端部および基材の特徴（欠陥）において、望ま
しくない、予想できない電界を発生させ得る。こ
れらの電界は次に、平坦化を妨げ得る衝撃イオン
を焦点に合せるか或いは焦点から外し得る。 これらの影響を実質的に除去するために、基材
に適用されるRF励起の周波数は、容量性効果に
より生じる基材および成長層を貫く最大電圧差が
RF励起により誘発されるバイアス電圧の約５％
未満、好ましくは約10ボルト未満そして最も好ま
しくは約５ボルト未満、となる程度に十分高いの
が好ましい。50KHz〜450KHzの範囲、そして特
に100〜250KHzの範囲の周波数は、約0.010〜
0.040インチ厚、特に約0.020インチ厚のオーダー
のケイ素および二酸化ケイ素系の基材、並びに単
位面積当り同程度のキヤパシタンスを有するその
他の基材について、これらの競合する考慮すべき
事項をうまくつり合わせる。単位面積当りもつと
大きいキヤパシタンスを有する基材については、
好ましい周波数範囲の下限は若干上方に移り、一
方単位面積当りもつと小さいキヤパシタンスを有
する基材については、好ましい周波数範囲の下限
は幾分減少し得る。数学的に述べると、基材を貫
く容量性電圧の降下は次式で与えられる。 上記式中、 Ｖは基材を貫く電圧降下であり； Φは基材上表面の単位面積当りの出力密度であ
り； Xcは基材の容量性リアクタンスであり； そして Ａは基材上表面の面積である。 Xc／Ａ＝ｄ／2πkE₀ （上記式中、 ｄは基材の平均厚であり； は基材に適用されるRF励起の周波数であ
り； Ｋは基材材料の誘電率であり；そして E₀は自由空間の誘電率である。） であるので、従つて min＝Φd／2πKE₀（V_nax）² 上記式中、 _nioは最低RF励起周波数であり；そして V_naxは基材を貫く最大の所望電圧降下である。 成長中の層６４の表面に到着しそして該層と合
体する金属吸着原子はかなりのエネルギーを該層
に与える。典型的には、吸着原子は、約30000゜K
の温度のアルミニウム蒸気原子の運動エネルギー
に相当する速度および運動エネルギーを有する。
このエネルギーは金属原子が該層と合体する際に
該層内で熱交換する。また、衝撃イオンにより該
層の前表面にて金属原子に付与されたエネルギー
は、終局的には該層内で熱に交換される。従つ
て、工程中にかなりの熱が該層に注入される。付
着金属層は基材の前表面と密接に接触しておりそ
して基材の種々の要素が互いに密接に接触してい
るので、層から基材および基材全体への良好な伝
熱があり、従つて基材５８の温度は層６４の内部
温度をたどる傾向があり、そして基材は成長層の
“熱溜め”として作用する。しかしながら、基材
の熱容量は制限されているので、基材の温度もま
た工程中に増大する傾向がある。層を融解しない
ようにしそして基材を熱損傷から保護するため
に、適当な手段を用いて基材および層の内部温度
を制御する。従つて、工程中、基材および／また
は成長層から熱を抜き出すために適当な手段がと
られる。 プロセス室１０の壁は典型的には基材よりも温
度が低いので、基材および層から該壁への幾分の
伝熱がある。従つて、壁は基材および層から幾分
かの熱を抜き取るのに役立つ。該壁は相対的に大
きいので、通常該壁の温度は該工程中にそれほど
上昇することはない。しかしながら、所望によ
り、該壁に冷却コイル等の適当な冷却要素を取り
付けることができる。 基材ホルダー１２もまた基材から熱を抜き取る
のに役立つ。好ましくは、基材ホルダー１２は、
該工程において到達される基材および付着層の所
望の最高温度より実質的に低い温度に維持され
る。従つて、基材ホルダー１２を予備加熱する温
度は、基材および層の所望の最高温度よりも低く
すべきである。通常、基材ホルダー１２は十分な
大きさと比熱を有するので、基材ホルダー自体の
温度は該工程中にそれほど上昇することはない。
しかしながら、所望により、該工程において、冷
却コイル２２および冷却用流体の外部源のような
追加の冷却手段により、基材ホルダーから熱を抜
き出すことができる。 基材底部層５２と基材ホルダー１２との向き合
う表面は両方とも名目上は平坦であるが、これら
の両表面に平坦から僅かに逸脱した所があり得、
従つてこれらの向い合う両表面間で小さな間隙７
０（第２図）があり得る。該工程で用いられる圧
力は非常に低いので、伝熱に関する限り、間隙７
０は有効な真空空間である。従つて、これらの間
隙を通過する伝達および対流は無視でき、基材か
ら基材ホルダーへの伝熱の大部分は基材から基材
ホルダーへの輻射により通常進行する。基材から
基材ホルダーへの伝熱速度は、基材の周辺で基材
を基材ホルダーに密封しそして気体のような流体
をかなりの絶対圧で基材と基材ホルダーとの間に
導入するなどの技術により、増大させることがで
きる。しかしながら、これらの技術は工程および
装置にかなりの複雑さを付け加えるので、好まし
くない。更に本発明による好ましい方法によつて
層および基材に中位のエネルギー入力を用いるだ
けで良好な平坦化および比較的高速度の層形成を
達成できるので、かかる技術は通常不必要であ
る。 層形成前の基材の表面形状が特別厳しく、従つ
て衝撃イオンにより付与される易動性および移動
エネルギーに特別の大きな要請がある場合、或い
は層および／又は基材の温度を特別低い値に制限
しなければならない場合などの特に困難な状況に
おいては、スパツター付着および衝撃段階におい
て前に述べたように基材および／又は層から熱を
抜き取り、熱抜き取り工程を継続しながら付着お
よびイオン衝撃を中断し、そして付着およびイオ
ン衝撃工程を再開することにより、温度を制御す
ることができる。この一連の工程は、必要に応じ
て多数回繰返すことができる。この配列において
は、中断中の層および基材からの熱抜き取りは、
スパツター付着およびイオン衝撃工程中の熱抜き
取りを補助するものである。中断中にのみ熱抜き
取りすることも可能であるが、明らかに好ましく
ない。 スパツター源RF出力供給手段４４の制御など
によるスパツター付着速度の制御もまた、基材へ
の熱を制御するので基材および層の内部温度の制
御に寄与する。しかしながら、本発明の好ましい
態様による方法における金属層の基材上への付着
速度は、非平坦化方法における付着速度と実質的
に同じであり得る。従つて、アルミニウム又はア
ルミニウム系合金を用いて、5000オングストロー
ム／分を越え、典型的には約10000オングストロ
ーム／分の基材前表面上への正味の付着速度が本
願方法で達成でき、同時に所望の低い内部温度を
維持しそしてまた実質的に完全な平坦化が達成さ
れる。典型的には10％未満、最も典型的には約７
％ないし約９％の、本発明の好ましい方法におい
て用いられる非常に低い再スパツタリング率は、
比較的高い正味付着速度での操作を容易にする。
異常に厳しい表面形状を有する構造体、例えば周
辺の壁部が基材の前表面（陸部表面）に実質的に
垂直であり、約1.5マイクロメーター又はそれ以
下の直径を有しそしてアスペクト比が約0.5、
0.75、又はそれより幾分大きい通路孔を含む構造
体、であつても実質的に完全な平坦化が達成でき
る。従つて、かかる基材を覆う層は、通路孔６０
全体を金属で完全に充填するまで平坦化すること
ができ、これにより第３図に例示するように、下
側に在る半導体デバイスの活性構造体５４との良
好な接触が与えられる。更にこの完全な平坦化
は、ささいな邪魔にならない量の粒成長をもたら
すだけで、即ち、粒径を約7000オングストローム
未満そして好ましくは約5000オングストローム未
満に維持しながら、達成することができる。層材
料中に検知可能な程の元素の分離は起こらない。
従つて、銅又はケイ素のような元素がアルミニウ
ムのほかに含まれる場合、これらの元素は層全体
に均一に分布したままである。当業界の通常の熟
練者が容易に理解するように、上述のような通路
孔は、平坦化工程に異常に厳しい問題を提供す
る。先細の通路孔、スロツト等のようなもつと厳
しくない表面の特徴（欠陥）は、上記の方法を用
いることにより、平坦化された層で完全に覆いそ
して充填することができる。 更に理解されるように、上記の特徴の多くの変
形および組合せを用いることができる。例えば、
プラズマを形成するのにアルゴンを用いる必要は
ない；ネオン、キセノン等のような他の不活性ガ
スをスパツタリング工程で用いることができる。
更に、アルミニウムおよびアルミニウム系合金以
外の金属を、本発明に従つて付着および平坦化す
ることができる。典型的には、成長層の表面上で
特定の金属又は金属合金を移動させるのに要する
衝撃イオンエネルギーは、該材料の融点に直接関
係する。従つて、RF励起において基材に適用さ
れる出力は、融点に従つて調節することができ
る。また、金属以外の材料を本発明に従つて付着
および平坦化することができる。注目すべきこと
に、比較的低融点のガラス組成物を、本発明に従
つてスパツター付着しそして平坦化することがで
きる。粒成長は典型的にはガラス層の付着および
平坦化において問題とはならないが、本発明の好
ましい方法で用いられる比較的低い層内部温度
は、ガラス層とその下の基材との間の界面におけ
る熱的応力を最小にする傾向がある。このような
熱的応力が相対的に少ないことが、金属層の場合
においても有利である。 上記の好ましい方法において、層に付着される
物質は、スパツター源又はターゲツト４０からの
スパツタリングにより蒸気相へ注入される。かか
るスパツタリング付着は本発明の方法で好ましい
が、他の層形成物質付着法を用いることができ
る。例えば、アルミニウムおよびアルミニウム系
合金のような金属を源からスパツターするのでは
なく源から蒸発させることができる。かかる蒸発
操作は基材の近くでプラズマを用いて衝撃イオン
を生じさせるのが好ましい。蒸発したアルミニウ
ム原子は、本願の好ましい方法におけるスパツタ
ーされたアルミニウム原子と実質的に同じよう
に、プラズマを通過しそして基材表面上に付着す
るであろう。また、付着しそして層内で平坦化さ
れるべき物質は、プラズマ自体、即ち、プラズマ
による化学蒸着操作において、プラズマ自体から
導くことができる。ここでもまた、衝撃イオンの
源としてプラズマを用い、該イオンをプラズマか
ら基材のRF励起により引き出すことが好ましい
であろう。しかしながら、本発明の最も広い範囲
においては、本発明はまた、基材を衝撃するイオ
ンがプラズマから導かれるのではなく、その代り
に基材の方に向けられたイオンガンのようなその
他の源から導かれる系も考慮する。容易に理解さ
れるように、本発明の好ましい方法により達成さ
れる易動化および平坦化効果と同様のこれらの効
果が、イオンガンからのイオンが上記の好ましい
方法における基材および成長層を衝撃するプラズ
マイオンと実質的に同じエネルギー分布をもつて
基材を衝撃するように、イオンガン又はその他の
イオン源を操作することにより、達成できる。し
かしながら、当業界の通常の熟練者も理解するよ
うに、イオンガンは典型的には限られたイオン衝
撃速度を与えることができるにすぎず、従つてか
なりの面積の露出基材表面を処理する場合には明
らかに好ましくない。 特許請求の範囲に規定された本発明から逸脱す
ることなく、上記の特徴を変更および組合せて用
いることができる。上記の好ましい態様の記載
は、本発明を制限するものではなく例示のための
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一態様による装置の模式図
である。第２図は、本発明による方法において、
第１図の装置の一部分および基材を大きく拡大し
て描いた、理想化した部分模式図である。第３図
は、工程の終了後の基材を示す、第２図と同様の
模式図である。 １０：プロセス室、１２：基材ホルダー、３
２：基材RF出力源、４０：スパツター源、４
４：スパツター源RF出力供給源、５０：基材、
６０：通路孔、６２：吸着原子、６４：付着層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基材表面上に層形成物質の層を付着させ、そ
   して平坦化する方法であり、(a)該物質を気相から
   基材表面上に付着させて層を形成し；(b)該付着工
   程において該層をプラズマに暴露し；そして(c)該
   基材に約5KHzないし約1MHzにてRF励起を適用
   して該RF励起により該プラズマに関して該基材
   上にバイアス電圧を誘発させ、これにより該付着
   工程において該プラズマからのイオンが該層を衝
   撃しそして該物質を該層上で移動させる工程を特
   徴とする、上記の層形成物質の付着および平坦化
   方法。 ２ 該衝撃イオンによる該層からの上記の物質の
   再スパツタリングの割合が、基材表面上への該物
   質の付着率の約10％未満である、特許請求の範囲
   第１項の方法。 ３ 上記のRF励起により誘発されるバイアスが
   約100ないし約500ボルトである、特許請求の範囲
   第１、又は第２項の方法。 ４ 上記のRF励起の周波数が、基材を貫く容量
   性電圧降下が約10ボルト未満となるように選ばれ
   る、特許請求の範囲第１、第２又は第３項の方
   法。 ５ 上記のRF励起の周波数が約50KHzから約
   450KHzである、特許請求の範囲第１〜４項のい
   ずれかの方法。 ６ 上記の物質が金属又は金属合金である、特許
   請求の範囲第１〜５項のいずれかの方法。 ７ 上記の金属又は金属合金が少なくとも約50％
   のアルミニウムを含み、そして上記の層の内部温
   度が付着工程中約525℃未満に維持されることを
   特徴とする、特許請求の範囲第６項の方法。 ８ 上記の層の内部温度が衝撃工程中低くとも約
   150℃に維持されることを特徴とする、特許請求
   の範囲第７項の方法。 ９ 付着工程前に上記の基材を約150℃ないし約
   400℃に予備加熱する工程を更に特徴とする、特
   許請求の範囲第８項の方法。 １０ 付着工程中に上記の層の内部温度が上記物
   質の固相線温度未満に維持される、特許請求の範
   囲第１〜９項のいずれかの方法。 １１ 上記の層の内部温度を維持する工程が、付
   着工程中に上記物質から熱を抜き出す工程を含
   む、特許請求の範囲第１０項の方法。 １２ 上記の付着工程を中断し、その中断中に上
   記の物質から熱を抜き出し、そして中断後に付着
   工程を再び始める工程を含む、特許請求の範囲第
   １項の方法。 １３ 上記の付着工程が、上記の物質の吸着原子
   を上記の表面の方へ、該表面に垂直な方向に傾斜
   した角度にて導く工程を含む、特許請求の範囲第
   １〜１２項のいずれかの方法。 １４ 上記の付着工程がスパツター源の侵食性表
   面から上記の物質の吸着原子をスパツターする工
   程を含む、特許請求の範囲第１〜１３項のいずれ
   かの方法。 １５ 上記の侵食性表面および上記基材の表面が
   両者とも全般的に平坦であり、そして上記の付着
   工程中で該侵食性表面が該基材の表面に対して約
   10゜ないし約45゜の角度で配置されている、特許請
   求の範囲第１４項の方法。 １６ 上記の侵食性表面および基材表面が上記の
   付着工程において実質的に垂直に維持される、特
   許請求の範囲第１５項の方法。 １７ 上記の基材を該基材の表面に垂直な軸の回
   りに回転させる工程を更に含む、特許請求の範囲
   第１６項の方法。 １８ 上記の基材の表面が平坦な領域、および直
   径が約２マイクロメーター未満であつてアスペク
   ト比が約0.5を越える孔を含み、そして上記の物
   質が付着工程中に該孔を実質的に充填する、特許
   請求の範囲第１〜１７項のいずれかの方法。 １９ 上記の基材が半導体ウエーハーである、特
   許請求の範囲第１〜１８項のいずれかの方法。 ２０ 上記のイオン衝撃工程が上記物質の表面移
   動度パラメーターを付着工程中少なくとも約１ミ
   クロンに維持するように行われる、特許請求の範
   囲第１〜１９項のいずれかの方法。 ２１ 基材の表面上に物質の層を付着および平坦
   化するための装置であつて、(a)該基材を保持する
   手段；(b)上記の表面上に該物質を気相から付着さ
   せることにより、該表面上に該物質の層を形成さ
   せるための手段；(c)該付着手段の作動中に該表面
   の近くにプラズマを供給するための手段；および
   (d)該基材に約5KHzないし約1MHzの周波数でRF
   励起を適用するための基材RF出力手段、を含む
   ことを特徴とする、上記の装置。 ２２ 上記の付着手段の作動中に上記の層の内部
   温度を制御して該内部温度を上記物質の固相線温
   度より低く維持するための温度制御手段を含む、
   特許請求の範囲第２１項の装置。 ２３ 上記の付着手段が、上記の侵食性表面が一
   般に基材およびプラズマの方に向くように、該侵
   食性表面を有するスパツター源を、上記の物質の
   近くに保持するための手段；および上記のスパツ
   ター源にバイアスを適用し、これにより該侵食性
   表面から該物質のスパツタリングを引き起こすス
   パツター源出力手段を含む、特許請求の範囲第２
   １又は第２２項の方法。 ２４ スパツター源を保持する手段が、一般に平
   坦な侵食性表面を有するスパツター源を保持する
   ように作動し得、そして上記の基材を保持する手
   段が、一般に平坦な前表面が該侵食性表面に対し
   て約10゜ないし約45゜の角度で配置されるように、
   該前表面を有する基材を保持するための手段を含
   む、特許請求の範囲第２１〜２３項のいずれかの
   装置。 ２５ 上記の温度制御手段が付着手段の操作を制
   御するための手段を含み、これにより上記の物質
   が上記の層に付着する際に、該物質による該層へ
   の熱付加が制限される、特許請求の範囲第２２項
   の装置。 ２６ 上記の温度制御手段が、付着手段の作動中
   に基材から熱を抜き出すための手段を含む、特許
   請求の範囲第２２項又は第２５項の装置。 ２７ 上記の温度制御手段が付着手段の作動中
   に、層の内部温度を低くとも約150℃の高温で且
   つ上記の固相線温度よりも低い温度に維持するよ
   うに作動し得る制御手段である、特許請求の範囲
   第２２、第２５又は第２６項の装置。