JPH05326426A

JPH05326426A - 薄膜加工用コリメーター、及び薄膜加工装置並びに薄膜加工方法

Info

Publication number: JPH05326426A
Application number: JP4242535A
Authority: JP
Inventors: Junichi Sato; 淳一佐藤; Shingo Kadomura; 新吾門村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-03-16
Filing date: 1992-08-20
Publication date: 1993-12-10

Abstract

(57)【要約】【目的】蒸着材料、スパッタ粒子、ＣＶＤ原料ガス分
離、励起活性種等、薄膜加工に用いられる各種材料の流
れを制御するための治具、及びかかる治具を備えた薄膜
加工装置、及び薄膜加工方法を提供することにある。【構成】治具は、真空又は減圧下で薄膜加工を行う薄膜
加工装置内に配設された薄膜加工用のコリメーター１０
であって、薄膜加工用原材料を通過させるための、厚さ
方向に貫通し、規則的に配列された複数の貫通孔１２を
有することを特徴とするコリメーターである。また、薄
膜加工装置は、かかる特徴を有するコリメーターを備え
ている。更に、薄膜加工方法は、かかる特徴を有する薄
膜加工装置を使用して、薄膜を加工することから成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜加工のために使用
されるコリメーター、及びコリメーターを備えた薄膜加
工装置、更にかかる薄膜加工装置を使用した薄膜加工方
法に関する。ここで、コリメーターとは、真空又は減圧
下で薄膜加工を行う薄膜加工装置内で使用され、薄膜加
工用の各種原材料を通過させるための貫通孔を有する板
状の治具を指す。

【０００２】

【従来の技術】薄膜の加工技術は、一般に、金属を含有
する材料を各種の基材に成膜するところの、蒸着法、ス
パッタ法、気相成長法（ＣＶＤ法）等の薄膜成膜技術
と、基材に成膜された金属を含む材料をドライエッチン
グする各種のドライエッチング技術とに分類することが
できる。

【０００３】半導体装置の高集積化に伴い、半導体装置
の製造プロセスにおける寸法ルールが微細化されつつあ
る。そのため、半導体装置の内部配線形成プロセスにお
いては、径が小さく且つ深さの深い、即ちアスペクト比
の大きい、コンタクトホール、スルーホールあるいはビ
ヤホール（以下、総称して接続孔と呼ぶ）を形成する必
要がある。接続孔は、通常、半導体基板や下層配線層の
上に形成された層間絶縁層に開口部を設け、かかる開口
部内を配線材料で埋め込むことによって形成される。

【０００４】開口部内を配線材料で埋め込むための薄膜
加工技術の１つにスパッタ法がある。しかしながら、ス
パッタ法は、一般にステップカバレージが良くないた
め、開口部のアスペクト比が大きくなるに従い、開口部
の底部における配線材料の厚さの薄い部分で断線不良が
発生し易い。このカバレッジ不良は、配線材料から成る
スパッタ粒子が、開口部の側壁あるいは底部に形成され
る光学的に影の部分には多く堆積しないという、所謂シ
ャドウイング効果に起因する。そのため、開口部の内部
を配線材料でカバレッジ良く埋め込むプロセス技術が必
要不可欠になってきている。

【０００５】このようなプロセス技術の中で、より量産
レベルでの実用化に近い技術として、半導体基板を高温
に加熱しながらスパッタ法によって配線材料で開口部を
埋め込む、所謂高温スパッタ法が検討されている。この
高温スパッタ法においては、半導体基板が高温に加熱さ
れているため、開口部内に堆積した配線材料も約４００
°Ｃ以上融点以下まで加熱される。その結果、軟化した
配線材料が流動状態となり開口部内を流れることが可能
となる。この配線材料の流動状態は、実際に配線材料を
堆積させるべき下地によって大きく変化する。

【０００６】高温スパッタ法においてアルミニウムある
いはアルミニウム合金（以下、単にアルミニウム等とも
いう）から成る配線材料を使用する場合、下地がアルミ
ニウム等と反応し易いチタン（Ｔｉ）のような物質から
成る場合には、アルミニウム等は下地と反応しながら下
地の表面全体に拡がり易い（即ち、濡れ性が良い）。こ
れに対して、下地が、ＳｉＯ₂、ＴｉＯＮのようなアル
ミニウム等と反応し難い物質から成る場合には、アルミ
ニウム等は下地の表面で小さく丸まってしまう。

【０００７】従って、下地に対する配線材料の濡れ性の
良否が、配線材料の開口部への埋め込み特性に大きく影
響を与える。即ち、濡れが良い場合には、配線材料は、
開口部の側壁に沿って開口部内に拡がる。一方、濡れが
悪い場合には、開口部の上部で配線材料は丸まってしま
い、開口部の内部に拡がらない。実際、同一形状、同一
アスペクト比の開口部に、同一条件で、例えば、Ａｌ−
１％Ｓｉから成る配線材料を高温スパッタ法にて成膜し
ても、下地（開口部の側壁表面等）がＴｉの場合には配
線材料で開口部の内部は良好に埋め込まれるが、ＳｉＯ
₂の場合には良好には埋め込まれない。

【０００８】薄膜成膜技術の１つである蒸着法は、蒸着
材料を乗せたヒーターあるいは蒸着材料を入れたボー
ト、るつぼ等を抵抗加熱、高周波加熱、電子ビーム加熱
等によって加熱し、蒸着材料を蒸発させ、基材にかかる
蒸着材料を被着させる。この蒸着法においても、蒸着材
料の良好なるステップカバレッジを得ること、あるいは
シャドウイング効果を無くすことは重要な課題である。

【０００９】カバレッジ良く開口部内を配線材料で埋め
込む別の技術にＣＶＤ法がある。所謂、ブランケットタ
ングステンＣＶＤ法を例にとり、このブランケットタン
グステンＣＶＤ方法に適した減圧ＣＶＤ装置の概要を図
１０に示す。このＣＶＤ装置は、原料ガスを導入する原
料ガス導入口３２が設けられたＣＶＤ反応室３０を有
し、このＣＶＤ反応室３０内には、支持台としてのサセ
プタ３４上に載置された半導体基板３６の表面にＣＶＤ
原料ガスを分配するためのシャワーヘッド３８が設けら
れている。シャワーヘッド３８は、直径２ｍｍ程度の貫
通孔をランダムに設けた厚さ１〜２ｍｍのセラミック板
から成る。

【００１０】ブランケットタングステンＣＶＤ法におい
ては、半導体基板３６に形成された例えばＳｉＯ₂から
成る層間絶縁層４０にフォトリソグラフィ法及びリアク
ティブ・イオン・エッチング法で開口部４２を形成す
る。次いで、層間絶縁層４０及び開口部４２内に、例え
ばＴｉ／ＴｉＮから成るバリアメタル層４４を形成し、
このバリアメタル層上にＣＶＤ法でタングステン層４６
を形成する（図１１参照）。その後、タングステン層４
６をエッチバックすることによって、開口部４２にタン
グステンから成る配線材料が埋め込まれた接続孔が完成
する。

【００１１】基材に成膜された金属を含む材料をドライ
エッチングするドライエッチング法には、化学反応及び
／又は物理反応を利用したプラズマエッチング法、スパ
ッタエッチング法、イオンビームエッチング法等の技術
がある。ドライエッチング法においては、基材に成膜さ
れた材料を精度良く所望の形状に加工することが重要な
課題である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】スパッタ法あるいは蒸
着法による成膜におけるシャドウイング効果は、スパッ
タ粒子あるいは蒸着材料の基材に対する入射角度が大き
な範囲に亙ることに起因する。入射角度を小さな範囲内
に納めることによって、シャドウイング効果を防止する
ことができ、スパッタ粒子あるいは蒸着材料のステップ
カバレッジが向上し、例えば、スパッタ粒子はより多く
開口部内に入り込むことができる。

【００１３】高温スパッタ法にて開口部内を配線材料で
埋め込む場合、配線材料のカバレッジだけでなく、スパ
ッタ粒子を堆積させる下地がＴｉあるいはＴｉＮから成
る場合には、下地のカバレッジも重要である。即ち、Ｔ
ｉあるいはＴｉＮのステップカバレッジが悪い場合、図
１２に示すように、例えばアルミニウム等から成る配線
材料５０の下地５２（例えばＴｉＮ）に対する濡れ性が
悪くなるので、配線材料の埋め込み性が悪くなり、ボイ
ド５４が発生するからである。尚図１２中、３６は半導
体基板、４０は層間絶縁層である。

【００１４】上記図１０に示した従来のＣＶＤ装置で
は、原料ガスのガス分子の方向性の制御は行われていな
いので、図１１に示すように、開口部４２内に堆積した
例えばタングステン層４６にはボイド４８が発生すると
いう問題がある。ボイドの発生原因は、タングステン層
４６が、開口部の底部からも、側壁からもほぼ同一速度
で成長するため、タングステン層４６の堆積が進むにつ
れて、開口部内のタングステン層で埋め込むべき空所の
アスペクト比が大きくなるからである。このような問題
を解決するためには、ＣＶＤ法における原料ガス分子の
流れが、成膜すべき基材に対して均一に且つ出来るだけ
垂直に衝突する必要がある。

【００１５】ドライエッチング法において、基材に成膜
された材料を微細な所望形状にエッチング加工するため
には、基材に対する励起活性種の流れを正確に制御する
必要がある。従来のドライエッチング装置においては、
励起活性種の方向性の物理的制御は行われていない。

【００１６】従って、本発明の目的は、蒸着材料、スパ
ッタ粒子、ＣＶＤ原料ガス分離、励起活性種等、薄膜加
工に用いられる各種材料（以下、単に薄膜加工原材料と
もいう）の流れを制御するための治具を提供することに
ある。

【００１７】更に、本発明の目的は、長時間の操業にお
いても成膜速度等が低下することがなく、また、目詰ま
りを生じ難く、保守を頻繁に行う必要のない、薄膜加工
原材料の流れを制御するための治具を提供することにあ
る。

【００１８】また、本発明の他の目的は、薄膜加工に用
いられる各種薄膜加工原材料の流れを制御するための治
具を備えた薄膜加工装置、及び薄膜加工方法を提供する
ことにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの治具は、真空又は減圧下で薄膜加工を行う薄膜加工
装置内に配設された薄膜加工用のコリメーターであっ
て、薄膜加工用原材料を通過させるための、厚さ方向に
貫通し、規則的に配列された複数の貫通孔を有すること
を特徴とするコリメーターによって具現化される。

【００２０】貫通孔は、同心円状に配列することがで
き、あるいは又、三角形、四角形、六角形等の多角形、
正多角形、平行四辺形の稜（頂点）に配置すればよい。

【００２１】コリメーターの厚さ方向における貫通孔の
断面形状は多角柱、円柱、切頭多角錐、切頭円錐とする
ことができるが、コリメーターのより好ましい実施態様
においては、コリメーターの厚さ方向における貫通孔の
断面形状が階段状である。これらの貫通孔の形状におい
ては、薄膜を成膜すべき基材に面する側における貫通孔
の開口面積は、反対側の貫通孔の開口面積と等しいか、
あるいは小さい。貫通孔の開口面積は、コリメーターに
設けられた貫通孔の位置に応じて変化させることもでき
る。また、貫通孔の軸線は、コリメーターの表面に対し
て垂直であっても、コリメーターに設けられた貫通孔の
位置に応じてコリメーターの表面に対する角度を適宜変
化させることもできる。

【００２２】コリメーターの厚さ方向における貫通孔の
断面形状を階段状にすることによって、薄膜加工原材料
による貫通孔の閉塞を効果的に防止することができる。
この場合、踏面部分の数は１つ以上であればよい。蹴上
げ部分は垂直であっても、傾斜していてもよい。貫通孔
の側壁における踏面部分の位置や踏面部分の数、蹴上げ
部分の高さ（長さ）は、貫通孔が薄膜加工原材料によっ
て閉塞し難いように、適宜実験を行い決定することがで
きる。尚、貫通孔の軸線に垂直な面で貫通孔を切断した
ときの貫通孔断面を、円あるいは多角形、正多角形とす
ることができる。

【００２３】貫通孔のアスペクト比は、薄膜加工すべき
条件に依存して適宜選択することができる。ここで、貫
通孔のアスペクト比を以下のように定義する。貫通孔の
軸線を通る平面を想定し、この平面によって切り取られ
る貫通孔の断面積が最大となるような平面Ｐ_maxを設定
する。平面Ｐ_maxによって切り取られた貫通孔の断面を
図６の（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に例示する。図６中、
破線は貫通孔の軸線を表す。軸線の両側の貫通孔側壁に
接する直線の内、軸線と交わる挟角（但し鋭角）が最大
となる直線をＬ_maxとする。軸線とこの直線Ｌ_maxの挟角
をγとした場合、アスペクト比は、以下の式で定義され
る。アスペクト比＝ｃｏｔ（γ）尚、図６中、１０はコリメーター、１２は貫通孔であ
る。

【００２４】コリメーターの厚さ方向における断面形状
を階段状にした貫通孔を有する本発明のコリメーターを
スパッタ装置あるいは真空蒸着装置にて使用し、薄膜加
工原材料で開口部を埋め込む場合には、例えば、０．４
μｍ径の開口部のアスペクト比が２である場合、貫通孔
のアスペクト比も２前後であることが好ましい。

【００２５】コリメーターの厚さ方向における貫通孔の
断面形状が多角柱、円柱、切頭多角錐、切頭円錐である
本発明のコリメーターをＣＶＤ装置あるいはドライエッ
チング装置にて使用し、薄膜加工する場合には、平面Ｐ
_maxによって切り取られた貫通孔の断面において側壁に
相当する部分の長さが、薄膜加工原材料の平均自由行程
以上であることが望ましい。

【００２６】コリメーターの厚さ方向における貫通孔の
断面形状が階段状である本発明のコリメーターをＣＶＤ
装置あるいはドライエッチング装置にて使用し、薄膜加
工する場合には、平面Ｐ_maxによって切り取られた貫通
孔の断面において、側壁に相当する部分の内、基材に最
も近い蹴上げ部分の長さが、薄膜加工原材料の平均自由
行程以上であることが望ましい。

【００２７】コリメーターは、厚さ１０乃至１５ｍｍ程
度のステンレススチール、アルミニウム、その他の金属
材料や、セラミック、樹脂等の成型加工可能な材料に貫
通孔を設けることによって作製することができる。ある
いは又、例えばステンレススチール等の金属材料から成
る、三角柱状、四角柱状、六角柱状等の中空ハニカムを
複数個スポット溶接することによって作製することもで
きる。コリメーターの有効面積は、薄膜加工すべき基材
の大きさに依存して適宜決定する。

【００２８】本発明のコリメーターの好ましい一実施態
様によれば、コリメーターは複数のコリメーターから成
り、複数のコリメーターは、薄膜加工用原材料の流れに
対して交換可能に配置されている。

【００２９】本発明のコリメーターの更に好ましい一実
施態様によれば、コリメーターにＲＦバイアスを印加す
る装置を更に具備している。この場合、コリメーターの
厚さ方向における貫通孔の断面形状を切頭円錐（テーパ
ー状）とし、薄膜を成膜すべき基材に面する側における
貫通孔の開口面積が反対側の貫通孔の開口面積よりも小
さいことが好ましい。

【００３０】また、本発明の薄膜加工装置は、上記の特
徴を有する本発明のコリメーターを備えている。更に、
本発明の薄膜加工方法は、上記の特徴を有する本発明の
薄膜加工装置を使用して、薄膜加工することが特徴であ
る。あるいは又、コリメーターにＲＦバイアスを印加す
る装置が備えられている場合には、コリメーターにＲＦ
バイアスを印加しつつ、薄膜加工することが特徴であ
る。

【００３１】薄膜加工装置としては、各種の真空蒸着装
置、真空又は減圧下で操作される、スパッタ装置、ＣＶ
Ｄ装置あるいはドライエッチング装置を挙げることがで
きる。

【００３２】真空蒸着装置は、本発明のコリメーターの
他に、蒸着材料を乗せるワイヤあるいは蒸着材料を入れ
るボート並びにるつぼ、及び抵抗加熱手段、高周波加熱
手段あるいは電子ビーム加熱手段から成る。スパッタ装
置としては、本発明のコリメーターを備えた、二極スパ
ッタ装置、三極又は四極スパッタ装置、マグネトロンス
パッタ装置、高周波スパッタ装置、リアクティブスパッ
タ装置、バイアススパッタ装置、非対称交流スパッタ装
置、ゲッタスパッタ装置等を挙げることができる。ま
た、ＣＶＤ装置としては、本発明のコリメーターを備え
た、減圧ＣＶＤ装置、プラズマＣＶＤ装置、光ＣＶＤ装
置等を挙げることができる。更に、ドライエッチング装
置としては、本発明のコリメーターを備えた、円筒形、
平行平板形、イオンビーム形のドライエッチング装置等
を挙げることができる。

【００３３】コリメーターが複数のコリメーターから成
る場合には、薄膜加工装置にはコリメーター交換部を備
え、このコリメーター交換部には、薄膜加工装置内部と
コリメーター交換部との間の連通を遮断可能なシール手
段を設けることが好ましい。複数のコリメーターは、例
えば、回転軸及び回転軸から放射状に延びるコリメータ
ー取付部から成るコリメーター取付装置に取り付けるこ
とができる。あるいは又、コリメーターが複数のコリメ
ーターから成る場合には、かかる複数のコリメーター
は、１枚の円盤状のプレートの所定の位置に各々のコリ
メーターが配置されたものとすることができる。

【００３４】薄膜成膜方法としては、上述した各種の薄
膜加工装置を使用した、真空蒸着法、スパッタ法、ＣＶ
Ｄ法、ドライエッチング法を挙げることができる。スパ
ッタ法としては、二極スパッタ方式、三極又は四極スパ
ッタ方式、マグネトロンスパッタ方式、高周波スパッタ
方式、リアクティブスパッタ方式、バイアススパッタ方
式、非対称交流スパッタ方式、ゲッタスパッタ方式等を
挙げることができる。また、ＣＶＤ法としては、減圧Ｃ
ＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法等を挙げること
ができる。更に、ドライエッチング法としては、励起ガ
スエッチング法、プラズマエッチング法、リアクティブ
・イオン・エッチング法、スパッタエッチング法、リア
クティブ・イオンビーム・エッチング法、イオンビーム
・スパッタ・エッチング法等を挙げることができる。

【００３５】

【作用】本発明のコリメーターは、薄膜加工原材料の流
れを正確に制御し得るので、（Ａ）スパッタ法あるいは蒸着法による成膜におけ
る、シャドウイング効果の防止、優れたステップカバレ
ッジ（Ｂ）各種ＣＶＤ法における優れた成膜性（Ｃ）ドライエッチング法における優れた微細加工性を得ることができる。

【００３６】本発明のコリメーターをスパッタ装置ある
いは真空蒸着装置に使用した場合、基材に対するスパッ
タ粒子あるいは蒸着材料の入射角度を小さくするために
は、コリメーターに設けられた貫通孔のアスペクト比を
大きくすればよい。貫通孔のアスペクト比を１．７３に
すれば、基材に対するスパッタ粒子あるいは蒸着材料の
入射角度は±３０度以内になり、貫通孔のアスペクト比
を５．６７にすれば、入射角度は±１０度以内となる。
しかしながら、貫通孔のアスペクト比が大きくなるに従
い、スパッタリングあるいは真空蒸着の条件によって
は、コリメーターの貫通孔に目詰まりが生じ易くなる場
合がある。

【００３７】例えば、コリメーターに設けられた貫通孔
の側壁がコリメーターの表面に対して垂直の場合、スパ
ッタリングあるいは真空蒸着を長時間行うと、貫通孔に
スパッタ粒子や蒸着材料が付着し、薄膜加工すべき基材
に面していない側における貫通孔の開口面積が減少し、
所謂目詰まりが起こる場合がある（図７参照）。その結
果、次第に成膜速度が低下し、コリメーターの保守を頻
繁に行わなければならなくなる。尚、図７中、１０はコ
リメーター、１２は貫通孔、１００は貫通孔に付着した
スパッタ粒子である。

【００３８】本発明のコリメーターをＣＶＤ装置あるい
はドライエッチング装置に使用した場合にも、薄膜加工
条件によっては、薄膜加工原材料によってコリメーター
の貫通孔に目詰まりが生じる場合がある。

【００３９】このような場合には、実質に貫通孔のアス
ペクト比を変えずに、しかも貫通孔の目詰まりを低減す
るために、コリメーターの貫通孔の厚さ方向の断面形状
を階段状とすることが望ましい。こうすることによっ
て、スパッタ粒子あるいは蒸着材料は、コリメーターの
貫通孔の側壁（即ち、階段状の貫通孔の蹴上げ部分）よ
りもコリメーター貫通孔の踏面部分に付着する。従っ
て、実質的に貫通孔のアスペクト比を保持したまま、即
ち、スパッタ粒子あるいは蒸着材料の基材に対する入射
角度範囲を一定の値に保持したまま、コリメーターの貫
通孔の目詰まりを発生し難くすることができる。

【００４０】コリメーターにＲＦバイアスを印加するこ
とによって、貫通孔の目詰まりを一層発生し難くするこ
とができる。スパッタ粒子あるいは蒸着材料（以下、ス
パッタ粒子等ともいう）自体は大きなエネルギーでコリ
メーターに入射するわけではないので、貫通孔内を通過
するスパッタ粒子等は、貫通孔の内壁に付着したスパッ
タ粒子等を弾き飛ばすことができない。しかるに、例え
ば、コリメーターの厚さ方向における貫通孔の断面形状
を切頭円錐（テーパー状）とし、薄膜を成膜すべき基材
に面する側における貫通孔の開口面積を反対側の貫通孔
の開口面積よりも小さくする。そして、このコリメータ
ーにＲＦバイアスを印加すると、スパッタ粒子等は加速
されてエネルギーを有する状態で貫通孔内を通過し、貫
通孔の内壁に付着したスパッタ粒子等を弾き飛ばすこと
ができる。それ故、貫通孔の目詰まりを一層発生し難く
することができる。

【００４１】

【実施例】

（実施例１）図１の（Ａ）に本発明のコリメーターの平
面図を、図１の（Ｂ）に断面図を示す。本発明のコリメ
ーター１０には、複数の貫通孔１２が規則正しく配列さ
れている。貫通孔１２の配列状態は正六角形とした。図
２に斜視図を示す、ステンレススチール製の正六角形の
中空のハニカムを複数個スポット溶接して、コリメータ
ー１０を作製した。ハニカムの外接円の直径は９．５３
ｍｍ（３／８インチ）、高さは１２．７ｍｍ（１／２イ
ンチ）である。８インチの半導体ウエハをスパッタリン
グする場合、直径約１２インチのコリメーターを使用し
た。貫通孔のアスペクト比は１．３３である。

【００４２】図１及び図２に示したコリメーターを使用
したスパッタ装置２０の概要を図３に示す。図３におい
て、１０はコリメーター、２２は例えばＴｉから成るタ
ーゲット、２４は薄膜を成膜すべき基材、２６は基材を
加熱するためのヒーターブロックである。スパッタ粒子
等の薄膜加工原材料において、図６の（Ａ）に示す角度
γより大きい角度でコリメーター１０の貫通孔１２に入
射する薄膜加工原材料は、コリメーター１０によって遮
蔽され、基材２４に到達しない。これによって、薄膜加
工原材料の基材に対する入射角度は、基材の法線を中心
に或る角度範囲、即ち０乃至γ度に制限される。その結
果、カバレッジの向上を図ることができる。

【００４３】（実施例２）本発明の好ましい一実施態様
におけるコリメーターの貫通孔の断面図を図４に示す。
コリメーターの厚さ方向における貫通孔の断面形状は階
段状である。そして、薄膜加工をすべき基材に面した側
１４Ｂのコリメーターの貫通孔の開口面積は、基材に面
していない側１４Ａのコリメーターの貫通孔の開口面積
よりも小さい。図４の貫通孔の断面図においては、貫通
孔の１つを図示したが、コリメーター１０にはかかる断
面形状を有する貫通孔が規則的に多数設けられている。
貫通孔は、正六角形の稜（頂点）上に配置されている。

【００４４】貫通孔は踏面部分１６を有する。貫通孔
は、２カ所の蹴上げ部分１８Ａ，１８Ｂを有する。貫通
孔の軸線に垂直方向の貫通孔の断面は正六角形である。
薄膜加工をすべき基材に面した側１４Ｂのコリメーター
の貫通孔の開口部の直径（正六角形の外接円の直径。以
下同じである）を３．１８ｍｍ（１／８インチ）とし
た。また、基材に面していない側１４Ａのコリメーター
の貫通孔の開口部の直径を９．５３ｍｍ（３／８イン
チ）とした。また、踏面部分１６の内径を３．１８ｍｍ
（１／８インチ）とした。更に、蹴上げ部分１８Ａ，１
８Ｂの各々の長さを、６．３５ｍｍ（１／４インチ）、
６．３５ｍｍ（１／４インチ）とした。貫通孔のアスペ
クト比は２である。

【００４５】マルチチャンバー方式の枚葉式スパッタ装
置を使用し、図３に示すようにチタン（Ｔｉ）から成る
スパッタターゲット２２と半導体基板２４との間に図４
に示したコリメーターを設置して、以下の条件でＴｉを
成膜した。不純物拡散領域が形成された半導体基板上に
は、従来の方法に基づき、例えばＳｉＯ₂から成る層間
絶縁層をＣＶＤ法で堆積させ、層間絶縁層にはフォトリ
ソグラフィ法及びリアクティブ・イオン・エッチング法
で開口部が形成されている。Ｔｉの成膜条件は、層間絶
縁層に形成された開口部の側壁に５ｎｍ以上のチタン薄
膜が形成される条件とした。成膜パワー４ｋＷスパッタ圧力０．４Ｐａ基板加熱温度１５０°ＣプロセスガスＡｒ：１００sccm 成膜速度０．０３〜０．１μｍ／分尚、コリメーターの貫通孔のアスペクト比が大きい程、
成膜速度は遅くなる。

【００４６】その後、真空を破らずに連続して他のチャ
ンバでＡｌ−１％Ｓｉから成るアルミニウム合金を、以
下の条件の高温スパッタ法に従って成膜した。尚、この
アルミニウム合金のスパッタリングに際しては、チャン
バ内にコリメーターを設けても、設けなくともよい。コ
リメーターを設けなくとも、チタンが層間絶縁層に設け
られた開口部内にカバレッジよく充分成膜されているの
で、アルミニウム合金の埋め込みは良好に行われた。成膜パワー１０ｋＷスパッタ圧力０．０４Ｐａ基板加熱温度５００°ＣプロセスガスＡｒ：４０sccm 成膜速度０．３〜０．９μｍ／分

【００４７】層間絶縁層に形成された開口部が、より大
きなアスペクト比を有している場合、コリメーターの貫
通孔のアスペクト比を大きくすればよく、その後の高温
スパッタ法による配線材料の埋め込みも良好となる。

【００４８】図４に示したコリメーターを備えたスパッ
タ装置を用いて、成膜を行ったところ、図１及び図２に
示したコリメーターより、目詰まりが低減し、コリメー
ターのメンテナンス頻度を下げることができた。

【００４９】（実施例３）配線材料のスパッタリング
時、配線材料の濡れ性を改善するために、酸素を殆ど含
まないＴｉＮ層を下地として形成することが有効である
ことが確認されている。従って、図４に示したコリメー
ター及び図３に示したスパッタ装置２０を用いて、以下
の条件のスパッタ法により、ＴｉＮを層間絶縁層に形成
された開口部の側壁に厚く成膜した。成膜パワー５ｋＷスパッタ圧力０．４Ｐａ基板加熱温度１５０°ＣプロセスガスＡｒ／Ｎ₂＝４０／７０sccm 成膜速度０．０１〜０．０４μｍ／分そして真空を破らずに連続して他のチャンバでＡｌ−１
％Ｓｉから成るアルミニウム合金を、実施例２と同様の
条件で高温スパッタ法によって成膜した。

【００５０】実施例３においても、ＴｉＮが開口部にカ
バレッジ良く成膜されるので、アルミニウム合金の開口
部への埋め込みも良好であり、又、コリメーターの保守
頻度も少なくなった。

【００５１】（実施例４）図８の（Ａ）に、複数のコリ
メーター１０を備えたコリメーター板２１０の平面図を
示す。また、図８の（Ｂ）に、かかるコリメーター板２
１０を備えたスパッタ装置２００の一部断面図を示す。
このコリメーター板２１０は、ステンレススチールの円
盤から構成され、所定の領域に３つのコリメーター１０
が設けられている。また、各々のコリメーター１０には
貫通孔１２が設けられている。貫通孔１２は同心円周上
に規則的に配置されており、コリメーターの厚さ方向に
おける貫通孔の断面形状は円柱状である。尚、コリメー
ターの数に制限はない。コリメーター板２１０の中心部
には回転軸２２０が取り付けられており、回転軸２２０
にはモータ２２４が取り付けられている。コリメーター
板２１０はモータ２２４によって回転可能であり、従っ
て、コリメータ１０は薄膜加工用原材料の流れに対して
交換可能である。尚、２０２はスパッタチャンバ、２２
６はスパッタカソード、２２８は排気ポートである。

【００５２】（実施例５）図８の（Ａ）とは別の複数の
コリメーターから成るコリメーター装置３１０の平面図
を図９の（Ａ）に示す。また、図９の（Ｂ）に、かかる
コリメーター装置３１０を備えたスパッタ装置３００の
一部断面図を示す。２つのコリメーター１０はステンレ
ススチール製であり、各々のコリメーター１０には、コ
リメーターの厚さ方向における断面形状が六角柱状の貫
通孔１２が設けられている。尚、コリメーターは３つ以
上であってもよい。コリメーター装置３１０の中心部は
回転軸３２０に取り付けられ、回転軸３２０にはモータ
３２４が取り付けられている。コリメーター１０は回転
軸３２０から放射状に延びるコリメーター取付部から成
るコリメーター取付装置３２２に取り付けられている。

【００５３】図９の（Ｂ）に示したスパッタ装置３００
には、コリメーター交換部３３０が更に設けられてい
る。コリメーター交換部３３０は、スパッタチャンバ３
０２とコリメーター交換部３３０との間の連通を遮断可
能なシール手段３３２，３３４を備えている。シール手
段３３２，３３４は、例えばコリメーター１０が図９の
（Ｂ）に示す位置に来たとき、図示していない移動機構
により上昇及び下降させられ、コリメーター１０を真空
シールできる構造を有する。こうして、コリメーター１
０をシール手段３３２，３３４によって真空シールして
コリメーター交換部３３０とスパッタチャンバ３０２と
の連通を遮断した後、コリメーター交換部３３０のみを
大気に解放し、図示していない交換ドアを開けて目詰ま
りしたコリメーターを交換する。この後、コリメーター
交換部３３０を真空引きし、シール手段３３２，３３４
を下降及び上昇させる。これによりスパッタチャンバ３
０２を大気に解放することなく、目詰まりしたコリメー
ターを交換できるので、遮蔽板交換後の真空引き時間を
大幅に短縮することができる。

【００５４】（実施例６）図６の（Ｂ）に示した断面形
状を有する貫通孔を設けたコリメーターを使用した、ス
パッタ装置６０の概要を図５に示す。このコリメーター
１０の厚さ方向における貫通孔の断面形状は切頭円錐
（テーパー状）であり、薄膜を成膜すべき基材に面する
側における貫通孔の開口面積は反対側の貫通孔の開口面
積よりも小さい。貫通孔の軸線と垂直方向の断面形状
を、例えば円形とすることができる。貫通孔は、例えば
正三角形の頂点上に多数配置されている。このコリメー
ター１０には、１３．５６ＭＨｚのＲＦバイアスを印加
できる装置６２が備えられている。スパッタ装置６０の
構成は、図３に示したスパッタ装置２０と同様である。

【００５５】図５に示したスパッタ装置６０を用い、チ
タン（Ｔｉ）から成るスパッタターゲット２２と半導体
基板２４との間に図６の（Ｂ）に断面を示したコリメー
ター１０を設置して、以下の条件でＴｉを成膜した。不
純物拡散領域が形成された半導体基板上には、実施例１
と同様に、例えばＳｉＯ₂から成る層間絶縁層が形成さ
れ、この層間絶縁層には開口部が形成されている。Ｔｉ
の成膜条件は、層間絶縁層に形成された開口部の側壁に
５ｎｍ以上のチタン薄膜が形成される条件とした。成膜パワー４ｋＷスパッタ圧力０．４ＰａコリメーターＲＦバイアス１００Ｗ基板加熱温度１５０°ＣプロセスガスＡｒ：１００sccm 成膜速度０．０３〜０．１μｍ／
分尚、コリメーターの貫通孔のアスペクト比が大きい程、
成膜速度は遅くなる。

【００５６】その後、真空を破らずに連続して他のチャ
ンバでＡｌ−１％Ｓｉから成るアルミニウム合金を、実
施例２と同様の条件の高温スパッタ法に従って成膜し
た。尚、このアルミニウム合金のスパッタリングに際し
ては、チャンバ内にコリメーターを設けても、設けなく
ともよい。コリメーターを設けなくとも、チタンが層間
絶縁層に設けられた開口部内にカバレッジよく充分成膜
されているので、アルミニウム合金の埋め込みは良好に
行われた。

【００５７】コリメーターにＲＦバイアスを印加するこ
とによって、貫通孔の目詰まりを一層少なくすることが
でき、コリメーターのメンテナンス頻度を一層下げるこ
とができた。

【００５８】（実施例７）実施例６と同じスパッタ装置
６０及びコリメーター１０を用いて、以下の条件のスパ
ッタ法により、ＴｉＮを層間絶縁層に形成された開口部
の側壁に厚く成膜した。成膜パワー５ｋＷスパッタ圧力０．４ＰａコリメーターＲＦバイアス１００Ｗ基板加熱温度１５０°ＣプロセスガスＡｒ／Ｎ₂＝４０／７０s
ccm 成膜速度０．０１〜０．０４μｍ
／分そして真空を破らずに連続して他のチャンバでＡｌ−１
％Ｓｉから成るアルミニウム合金を、実施例２と同様の
条件で高温スパッタ法によって成膜した。

【００５９】実施例７においても、ＴｉＮが開口部にカ
バレッジ良く成膜されるので、アルミニウム合金の開口
部への埋め込みも良好であり、又、コリメーターの保守
頻度は一層少なくなった。

【００６０】以上、本発明を好ましい実施例に基づき説
明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はない。コリメーターの大きさ、材質、厚さ、あるいは
貫通孔の各種のパラメーターは、使用する装置及び方法
に適したものに適宜変更することができる。例えば、本
発明の薄膜加工装置が真空蒸着装置から成る場合、本発
明のコリメーターを、蒸着材料源と、蒸着材料を被着さ
せる基材との間に設ければよい。本発明の薄膜加工装置
が各種のＣＶＤ装置あるいはドライエッチング装置から
成る場合、本発明のコリメーターを、薄膜加工すべき基
材の上方に設ければよい。例えば、図１０に示した減圧
ＣＶＤ装置においては、シャワーヘッド３８の代わりに
本発明のコリメーターを使用すればよい。

【００６１】

【発明の効果】本発明のコリメーター、及び薄膜加工装
置並びに薄膜加工方法においては、薄膜加工原材料の流
れを正確に制御し得るので、（Ａ）スパッタ法あるいは
蒸着法による成膜における、シャドウイング効果の防
止、優れたステップカバレッジ、（Ｂ）各種ＣＶＤ法に
おける優れた成膜性、（Ｃ）ドライエッチング法におけ
る優れた微細加工性、を得ることができる。また、本発
明の好ましい実施態様におけるコリメーターにおいて
は、コリメーターの貫通孔の目詰まりが低減し、コリメ
ーターの保守頻度も少なくすることができる。従って、
高い生産性にて薄膜加工を行うことができる。更に、本
発明の好ましい別の実施態様におけるコリメーターにお
いては、コリメーターの貫通孔に目詰まりが生じた場
合、容易に新しいコリメーターに交換することができ
る。

【００６２】また、コリメーターにＲＦバイアスを印加
する装置を備えることにより、コリメーターの貫通孔の
目詰まりを一層低減させることができ、コリメーターの
保守頻度も一層少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のコリメーターの一実施例の平面図及び
断面図である。

【図２】本発明のコリメーターを構成する正六角形の中
空ハニカムの斜視図である。

【図３】本発明の薄膜加工装置の概要を示す図である。

【図４】本発明のコリメーターの別の実施例における１
つの貫通孔の拡大断面図である。

【図５】コリメーターにＲＦバイアス装置を取り付けた
本発明の薄膜加工装置の概要を示す図である。

【図６】コリメーターの貫通孔の断面を示す図である。

【図７】コリメーターの貫通孔の目詰まり状態を模式的
に表した図である。

【図８】本発明のコリメーターの更に別の実施例の平面
図及び薄膜加工装置の模式的な断面図である。

【図９】本発明のコリメーターの更に別の実施例の平面
図及び薄膜加工装置の模式的な断面図である。

【図１０】従来の減圧ＣＶＤ装置の概要を示す図であ
る。

【図１１】従来のブランケットタングステンＣＶＤ法に
よる接続孔の形成方法を説明するための、半導体素子の
模式的な一部断面図である。

【図１２】従来のスパッタ法による問題点を示す図であ
る。

【符号の説明】

１０コリメーター１２貫通孔１６踏面部分１８Ａ，１８Ｂ蹴上げ部分２０，６０スパッタ装置２２ターゲット２４薄膜を成膜すべき基材２６ヒーターブロック３０ＣＶＤ反応室３２原料ガス導入口３４サセプタ３６半導体基板３８シャワーヘッド４０層間絶縁層４２開口部４４バリアメタル層４６タングステン層４８ボイド５０配線材料５２下地５４ボイド６２ＲＦバイアス装置２００，３００スパッタ装置２０２，３０２スパッタチャンバ２１０コリメーター板２２０，３２０回転軸２２４，３２４モータ３１０コリメーター装置３２２コリメーター取付装置３３０コリメーター交換部３３２，３３４シール手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 // Ｈ０１Ｌ 21/285 Ｚ 9055−4Ｍ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空又は減圧下で薄膜加工を行う薄膜加工
装置内に配設された薄膜加工用のコリメーターであっ
て、薄膜加工用原材料を通過させるための、厚さ方向に貫通
し、規則的に配列された複数の貫通孔を有することを特
徴とするコリメーター。
【請求項２】コリメーターの厚さ方向における前記貫通
孔の断面形状は階段状であり、薄膜を成膜すべき基材に
面する側における貫通孔の開口面積は、反対側の貫通孔
の開口面積よりも小さいことを特徴とする請求項１に記
載のコリメーター。
【請求項３】複数のコリメーターから成り、該複数のコ
リメーターは、薄膜加工用原材料の流れに対して交換可
能に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求
項２に記載のコリメーター。
【請求項４】ＲＦバイアスを印加する装置を具備してい
ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１
項に記載のコリメーター。
【請求項５】請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記
載されたコリメーターを備えた薄膜加工装置。
【請求項６】請求項４に記載されたコリメーターを備え
た薄膜加工装置。
【請求項７】請求項５に記載された薄膜加工装置を使用
して、薄膜加工することを特徴とする薄膜加工方法。
【請求項８】請求項６に記載された薄膜加工装置を使用
して、コリメーターにＲＦバイアスを印加しつつ、薄膜
加工することを特徴とする薄膜加工方法。