JPH0610125A

JPH0610125A - 薄膜形成方法

Info

Publication number: JPH0610125A
Application number: JP16967892A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Tatsumi; 哲也辰巳; Junichi Sato; 淳一佐藤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-06-26
Filing date: 1992-06-26
Publication date: 1994-01-18

Abstract

(57)【要約】【目的】コリメータ・スパッタリングにおいて、高融
点金属粒子によるコリメータの目詰まりを防止し、バリ
ヤメタル成膜の再現性を高める。【構成】平行平板型スパッタリング装置のコリメータ
Ｃ₁にＲＦ電源１３を接続し、ターゲット５とＤＣ電源
１０との間にスイッチ１１を設ける。Ｔｉ層の成膜後に
コリメータＣ₁に付着したＴｉ粒子を除去するには、タ
ーゲット５のＤＣバイアスを無印加としてコリメータＣ
₁にＲＦバイアスを印加し、コリメータＣ ₁をカソード
として生成するプラズマを用いてＴｉ粒子をスパッタリ
ング除去もしくはエッチング除去する。ウェハ３に対す
るＴｉ粒子の入射角が常に一定範囲内に維持され、再現
性良くＴｉ層が形成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造工程等
に含まれる薄膜形成方法に関し、特にコリメータ・スパ
ッタリング法においてコリメータの目詰まりを防止しな
がら再現性の高い薄膜形成を可能とする方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のＶＬＳＩ，ＵＬＳＩ等にみられる
ように、半導体装置のデザイン・ルールが高度に縮小さ
れるに伴い、下層配線と上層配線の接続を図るために層
間絶縁膜に開口される接続孔の開口径も微細化し、アス
ペクト比が１を越えるようになってきている。上層配線
は一般にスパッタリング法によりアルミニウム（Ａｌ）
系材料を被着させることにより形成されているが、かか
る高アスペクト比を有する接続孔を埋め込むにはもはや
十分な段差被覆性（ステップ・カバレッジ）が達成され
にくく、断線を生ずる原因ともなっている。

【０００３】そこで、段差被覆性の不足を改善するため
の対策として、近年、高温バイアス・スパッタリング法
が提案されている。この技術は、たとえば月刊セミコン
ダクター・ワールド１９８９年１２月号１８６〜１８８
ページ（プレスジャーナル社刊）、あるいはＩＥＥＥ／
ＩＲＰＳ（１９８９年）２１０〜２１４ページ等に紹介
されているように、ウェハをヒータ・ブロック等を介し
て数百℃に加熱し、かつ該ヒータ・ブロックを介してＲ
Ｆバイアスを印加しながらスパッタリングを行うもので
ある。この方法によれば、高温によるＡｌのリフロー効
果とバイアス印加によるイオン衝撃とにより段差被覆性
を改善し、平坦な表面を有するＡｌ系材料層を形成する
ことができる。これらの論文には、Ａｌ系材料層の下地
としてチタン（Ｔｉ）層を設けた場合に、該Ｔｉ層がＡ
ｌ原子の表面移動（マイグレーション）に寄与して優れ
た段差被覆性（ステップ・カバレッジ）が達成されるこ
とが報告されている。この場合、Ａｌ系材料層はＴｉ層
との界面で反応しながら接続孔の内部にまで徐々に引き
込まれていくものと考えられている。

【０００４】ところで、Ｔｉ層をＡｌ系材料層の下地と
して設ける場合、接続孔の埋め込み性の良否はＴｉ層の
段差被覆性の良否に依存している。つまり、接続孔の側
壁面にもある程度の厚さにＴｉ層が被着されていない
と、Ａｌ系材料層と十分に反応してこれを接続孔内部に
まで引き込むことができないのである。たとえば、図８
（ａ）に示されるように、下層配線２０上の層間絶縁膜
２１に開口されたアスペクト比の高い接続孔２２を埋め
込む場合を考える。ここで、図８（ｂ）に示されるよう
に下地となるＴｉ層２３の段差被覆性が悪く、接続孔２
２の側壁面の下方や底面上でＴｉ層２３の膜厚が薄くな
っていると、たとえ高温スパッタリングによりＡｌ系材
料層２４で接続孔２２を埋め込もうとしても、図８
（ｃ）に示されるように鬆（す）２５が発生してしま
う。

【０００５】しかしながら、Ｔｉ層２３をアスペクト比
の高い接続孔２２の内部に均一に被着させることは容易
ではない。これは、接続孔２２の軸方向（ウェハの法線
方向）に対して比較的大きな入射角をもって斜めに入射
するＴｉ粒子が接続孔２２の開口端付近に付着してこの
部位のＴｉ層２３の厚さを増大させ、このＴｉ層２３に
よる遮蔽（シャドウイング）効果により後から飛来する
Ｔｉ粒子が接続孔の内奥部にまで到達しにくくなるから
である。スパッタリングの場合、ターゲットからスパッ
タ・アウトされる粒子は電気的に中性なので、粒子の運
動方向を電界により制御することはできない。しかも、
Ｔｉは融点が１６６０℃と高いため、これをリフローさ
せ得る温度域にまでウェハを加熱する高温スパッタリン
グは到底行うことができない。

【０００６】そこで、スパッタリングにおける高融点金
属の段差被覆性を改善する技術として、コリメータ・ス
パッタリング法が提案されている。これは、ターゲット
とウェハの間にコリメータと呼ばれるスノコ状の治具を
介在させ、ウェハの法線方向を中心としたある一定の立
体角の範囲内で入射する粒子のみを通過させてウェハへ
到達させる技術である。

【０００７】たとえば、本願出願人は先に特開昭６２−
１０９２３２号公報において、垂直磁気記録媒体の磁性
薄膜の初期成膜にコリメータ・スパッタリングを適用
し、ベース・フィルム上におけるＣｏ−Ｃｒ合金薄膜の
結晶配向性を改善する技術を開示した。

【０００８】また、同じく本願出願人は先に特願平３−
３０９６３３号明細書において、接続孔を被覆するＴｉ
層の成膜にコリメータ・スパッタリングを適用し、Ｔｉ
膜の段差被覆性を改善し、その結果としてＡｌ系材料層
による良好な接続孔の埋め込みを達成する技術を提案し
ている。ここで、上記コリメータ・スパッタリングに用
いられる平行平板型スパッタリング装置の一構成例を図
６に示す。図６（ａ）はこの装置の概略断面図であり、
図６（ｂ）はコリメータの概略平面図である。

【０００９】図６（ａ）に示されるこの装置において、
クライオポンプ２により高真空排気されるチャンバ１の
内部には、上部に成膜材料であるターゲット５が、底部
に該ターゲット５と平行に対向するごとくサセプタ６が
配され、該サセプタ６上にクランプ７によりウェハ３が
固定されている。チャンバ１の外部でサセプタ６の裏面
側にはヒータ・ブロック８が接触配置され、ウェハ３を
サセプタ６を介して所定の温度に加熱できるようになさ
れている。また、このヒータ・ブロック８による加熱効
率を向上させるために、サセプタ６の裏面側からは加熱
ガス導入管９を介して矢印Ｂ方向から加熱用ガスが導入
され、サセプタ６に埋設される配管を通じてウェハ３の
裏面に向けて放出されるようになされている。この加熱
用ガスとしては、通常Ａｒ等の不活性ガスが使用され
る。また、ターゲット５にはＤＣバイアスを印加するた
めのＤＣ電源１０が接続されており、これにより矢印Ａ
方向から上部ガス導入管４を通じて導入されるスパッタ
リング・ガスをターゲット５に衝突させる。このスパッ
タリング・ガスとしても、通常Ａｒ等の不活性ガスが使
用される。

【００１０】上記ターゲット５と上記ウェハ３の中間に
は、図６（ｂ）に示されるようなコリメータＣ₁が、双
方に対して平行となるように設置されている。このコリ
メータＣ₁は円形のメッシュ状部材であり、メッシュの
目、つまり個々の開口部はセル１２ａと呼ばれる。コリ
メータＣ₁の外形寸法はターゲット５とウェハ３のいず
れよりも大きく設定されている。

【００１１】このコリメータＣ₁による材料粒子の選別
機構は、図７（ａ）のように説明される。ここでは、材
料粒子がＴｉ粒子である場合について考える。この図
は、コリメータＣ₁の一部を拡大し、メッシュ板１２と
セル１２ａの断面を模式的に表したものである。このよ
うに個々のセル１２ａの断面形状が矩形の場合、このセ
ル１２ａを通過し得るＴｉ粒子２３ａの最大入射角θと
セル１２ａのアスペクト比Ｌ／Ｗ（ただし、Ｌはセル１
２ａの長さ，Ｗは幅を表す。）との間には、ｔａｎθ＝
（Ｌ／Ｗ）^-1の関係が成り立つ。たとえば、アスペクト
比が１．７３であれば、約３０°以内の入射角を有する
Ｔｉ粒子２３ａのみが通過可能であり、アスペクト比が
５．６７であれば約１０°以内となる。このように、Ｔ
ｉ粒子２３ａの入射角を所定の範囲内に制御することに
より、シャドウイング効果を抑制し、アスペクト比の高
い接続孔の側壁面の下方や底面上にも十分量のＴｉ粒子
２３ａを到達させることができるようになる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、コリメータ
Ｃ₁は上述のようにＴｉ粒子２３ａの入射を物理的に制
限する治具であるから、セル１２ａの側壁面には必然的
にこれを通過できなかったＴｉ粒子２３ａが付着する。
ここで、入射角が最大入射角θよりたとえ小さくても、
メッシュ板１２の上端部に斜め入射したＴｉ粒子２３ａ
は当然のことながらセル１２ａを通過することはできな
い。この結果、メッシュ板１２の上端部にはＴｉ粒子２
３ａが蓄積されて堆積層２３ｂが形成され、開口断面積
が次第に減少していわゆる目詰まりが発生する。する
と、セル１２ａを通過可能なＴｉ粒子２３ａの入射角は
次第に狭小化し、アスペクト比の高い接続孔２２の側壁
面上に十分な膜厚を有するＴｉ層２３を形成することが
できなくなる。このことは、コリメータ・スパッタリン
グの再現性を著しく低下させる原因となる。また、この
目詰まりにより成膜速度が低下してスループットが低下
し、メンテナンス頻度も増大するという問題が生ずる。

【００１３】そこで本発明は、コリメータ・スパッタリ
ング法を採用した場合でも再現性が高く、しかも高いス
ループットと優れたメンテナンス性が保証できる薄膜形
成方法を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の薄膜形成方法
は、上述の目的を達成するために提案されるものであ
り、物理的気相成長装置のチャンバ内でコリメータを通
過して飛来する材料粒子を基板上に堆積させる際に、前
記材料粒子の堆積による前記コリメータの開口断面積の
縮小を前記チャンバ内で防止することを特徴とする。

【００１５】本発明はまた、前記コリメータに堆積した
前記材料粒子を不活性ガスを用いてスパッタリング除去
することにより前記開口断面積の縮小を抑制することを
特徴とする。

【００１６】本発明はまた、前記コリメータに堆積した
前記材料粒子をエッチング除去することにより前記開口
断面積の縮小を抑制することを特徴とする。

【００１７】本発明はまた、前記コリメータを加熱して
その表面における前記材料粒子の被覆性を向上させるこ
とにより前記開口断面積の縮小を抑制することを特徴と
する。

【００１８】本発明はまた、前記材料粒子がチタンもし
くはチタン化合物であることを特徴とする。

【００１９】本発明はさらに、前記物理的気相成長装置
が平行平板型スパッタリング装置もしくはＥＣＲスパッ
タリング装置であることを特徴とする。

【００２０】

【作用】本発明者は、コリメータを用いた場合にもスル
ープットを低下させずに再現性の高い成膜を行うために
は、物理的気相成長装置のチャンバ内でその高真空度を
維持したまま、何らかの方法でコリメータの開口断面積
の縮小を抑制する必要があると考えた。この抑制には、
２通りの方針がある。

【００２１】第一の方針とは、コリメータを随時クリー
ニングすることにより、コリメータ上に堆積した材料粒
子を除去することである。このクリーニングの方法には
さらに２通りの方法が考えられ、ひとつは不活性ガスを
用いたスパッタリングに代表される物理的クリーニン
グ、いまひとつはエッチング・ガスを用いたドライエッ
チングに代表される化学的クリーニングである。これら
のクリーニングは、物理的気相成長装置を若干改造し、
必要に応じてコリメータに材料粒子が入射可能な構成と
しておけば、本来の薄膜形成工程と連続して行うことが
できる。

【００２２】いずれのクリーニング方法によってもコリ
メータの開口断面積が過度に縮小しない段階で随時、開
口断面積を設計値に戻すことができるので、材料粒子の
入射角がほぼ一定に維持され、薄膜形成の再現性が向上
する。また、従来は目詰まりを起こすごとに交換しなけ
ればならなかったコリメータが、半永久的に使用できる
ようになる。

【００２３】第二の方針とは、材料粒子を除去するまで
には至らないものの、前記コリメータの表面における前
記材料粒子の被覆性を向上させることである。具体的に
は、コリメータを加熱して材料粒子のマイグレーション
を促進し、たとえ材料粒子が該コリメータの表面に付着
して堆積層が形成されたとしても、セルの内壁面に薄く
広がるようにする。これにより、セルの開口端近傍に厚
く堆積層が形成されることがなくなり、材料粒子の通過
が阻害されなくなる。

【００２４】以上が本発明の基本的な方針であるが、本
発明により特に優れた成膜特性が期待できる材料粒子
は、高温スパッタリングによる段差被覆性の改善が望め
ない高融点金属であり、さらに具体的にはチタンもしく
はチタン化合物である。これらは、アルミニウム系配線
層のバリヤメタルとして広く知られている材料である。
チタン層、チタン化合物層の成膜が良好に行われること
で、後工程のアルミニウム系材料による微細な接続孔の
埋め込み等が、高い信頼性をもって行えるようになる。

【００２５】また、上述の説明からも推測できるよう
に、本発明はスパッタリングによる薄膜形成を想定した
場合に特に有効な技術である。さらに、コリメータの意
義から考えて、ターゲットと基板とを平行に配置するこ
とが可能な平行平板型スパッタリング装置もしくはＥＣ
Ｒスパッタリング装置を用いることが特に有効である。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００２７】実施例１本実施例は、平行平板型スパッタリング装置のコリメー
タにＲＦ電力を供給できる構成とし、このコリメータを
Ａｒガス・スパッタリングにより随時クリーニングしな
がら、Ｔｉ層の成膜を再現性良く行った例である。ま
ず、本実施例で使用する平行平板型スパッタリング装置
を図１に示す。なお、図１の参照符号は前述の図６と一
部共通であり、各部の説明は重複を避けるために図６と
異なる部分についてのみ行う。

【００２８】本実施例で使用する装置では、ＳＵＳ鋼で
作成されたコリメータＣ₁にＲＦ電力を供給するための
ＲＦ電源１３を接続した。また、ＲＦ電力印加中はター
ゲット５への直流バイアスの印加を停止できるように、
該ターゲット５とＤＣ電源１０との間にスイッチ１１を
設けた。ターゲット５をスパッタリングしてウェハ３上
に成膜を行う場合には、図１（ａ）に示されるようにス
イッチ１１をＯＮとしてＤＣ電源１０をターゲット５に
接続し、ＲＦ電源１３の出力は０Ｗとしておく。これに
より、スパッタリング・ガスはもっぱらターゲット５に
向かって加速され、材料粒子をスパッタ・アウトする。

【００２９】一方、コリメータＣ₁をクリーニングする
場合には、図１（ｂ）に示されるように、スイッチ１１
をＯＦＦとすることによりターゲット５をＤＣ電源１０
から切り離して接地し、ＲＦ電源１３の出力を所定値に
セットする。この結果、コリメータＣ₁をカソードとし
たプラズマ生成が可能となり、プラズマ中のラジカル、
あるいはコリメータＣ₁に向かって加速されるイオン等
の寄与により、この上に形成されていた材料粒子の堆積
層を除去できるわけである。なお、クリーニングを行う
間は、ウェハ３とサセプタ６を不要な汚染から保護する
ために、サセプタ６上にダミー・ウェハ１４を載置して
おくことが特に望ましい。

【００３０】次に、上述の平行平板型スパッタリング装
置を用いて、実際にＴｉ層の成膜を行った。このプロセ
スを、図２も併せて参照しながら説明する。図２の参照
符号は、前述の図８と一部共通である。上記スパッタリ
ング装置にセットしたウェハ３は、図２（ａ）に示され
るように、下層配線２０上の層間絶縁膜２１にアスペク
ト比の高い接続孔２２が形成されたものである。ここ
で、下層配線２０はたとえばＳｉ基板中に形成された不
純物拡散領域であり、層間絶縁膜２１はたとえばＣＶＤ
法により堆積された厚さ約０．８μｍのＳｉＯ₂膜であ
る。また、接続孔２２の開口径は約０．２５μｍであ
り、アスペクト比は３．２である。

【００３１】ターゲット５としてはＴｉターゲットをセ
ットし、スイッチ１１をＯＮとしてＤＣ電源１０を接続
した。上部ガス導入管４からはＡｒガスを導入した。ま
た、ヒート・ブロック８に通電すると共に加熱ガス導入
管９からもＡｒガスを導入し、ウェハ３を加熱可能な状
態とした。コリメータＣ₁の構成は、前述の図６（ｂ）
および図７（ａ）に示したものと同じである。コリメー
タＣ₁のセル１２ａのアスペクト比は１．７３とし、Ｔ
ｉ粒子２３ａの入射角をウェハ３の法線方向に対して３
０°以内に制御できるようにした。

【００３２】この状態で、一例として下記の条件でＴｉ
層２３を被着形成した。Ａｒ流量１００ＳＣＣＭガス圧０．４ＰａＤＣ電力４ｋＷＲＦ電力０Ｗウェハ温度１５０℃ このスパッタリングにより、図２（ｂ）に示されるよう
に、ウェハ３の全面にＴｉ層２３を成膜した。このとき
の成膜時間は、接続孔２２の側壁面上において５ｎｍ以
上となるように決定した。成膜速度は基本的にはコリメ
ータＣ₁のセル１２ａのアスペクト比に依存するが、こ
こではＴｉ粒子２３ａの付着により有効開口幅が若干変
動するために、成膜速度もおおよそ０．０３〜０．１μ
ｍ／分の範囲で変動した。

【００３３】そこで、この付着したＴｉ粒子２３ａを除
去するため、スイッチ１１をＯＦＦとし、ＲＦ電源１３
からＲＦ電力を供給した。また、ウェハ３は図示されな
いロード・ロック機構等により搬出し、代わりにサセプ
タ６表面を汚染から保護するためにダミー・ウェハ１４
をセットした。この状態で、一例として下記の条件でコ
リメータＣ₁をクリーニングした。

【００３４】Ａｒ流量１００ＳＣＣＭガス圧０．４ＰａＤＣ電力０ＷＲＦ電力３００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）このクリーニングにより、メッシュ板１２の表面に付着
したＴｉ粒子２３ａは除去され、コリメータＣ₁は常に
図７（ａ）に示されるような良好な状態に維持された。

【００３５】なお、本実施例ではＴｉ層２３を１回成膜
するごとにコリメータＣ₁をクリーニングしたが、クリ
ーニングの頻度はＴｉ粒子２３ａの堆積量および入射角
変化の許容範囲等に応じて適宜決定すれば良い。いずれ
にしても、本発明によれば前述の図７（ｂ）に示される
ような厚い堆積層２３ｂが形成される以前に随時クリー
ニングが行われる。したがって、図２（ｂ）に示される
ように、ウェハ３上のＴｉ層２３は常に良好な段差被覆
性を示し、極めて高い再現性を示した。

【００３６】次に、接続孔２２をＡｌ系配線層で埋め込
むため、上記ウェハ３をＡｌ−１％Ｓｉターゲットをセ
ットした別チャンバへ真空搬送し、一例として下記の条
件で高温スパッタリングを行った。なお、この別チャン
バにはコリメータは不要である。Ａｒ流量１００ＳＣＣＭガス圧０．４ＰａＤＣ電力１０ｋＷウェハ温度５００℃ この結果、図２（ｃ）に示されるように、Ａｌ−１％Ｓ
ｉ層２４はＴｉ層２３と反応しながら微細な接続孔２２
の内部にも均一に引き込まれ、信頼性の高いコンタクト
を形成することができた。

【００３７】実施例２本実施例は、同じ平行平板型スパッタリング装置を用い
てＴｉＮ層を成膜した例である。まず、図２（ａ）に示
されるウェハ３を図１（ａ）に示される状態の平行平板
型スパッタリング装置にセットし、反応性スパッタリン
グを行うために上部ガス導入管からはＡｒ／Ｎ₂混合ガ
スを供給した。スパッタリング条件は、一例として下記
のとおりである。

【００３８】Ａｒ流量４０ＳＣＣＭＮ₂流量７０ＳＣＣＭガス圧０．４ＰａＤＣ電力５ｋＷＲＦ電力０Ｗウェハ温度１５０℃ このスパッタリングにより、図２（ｂ）に示されるよう
に、ウェハ３の全面にＴｉＮ層２６が形成された。ここ
では、Ｔｉ粒子およびＴｉＮ粒子の付着によりコリメー
タＣ₁の有効開口幅が若干変動するために、成膜速度は
おおよそ０．０１〜０．０４μｍ／分の範囲で変動し
た。このとき、コリメータＣ₁のメッシュ板１２の表面
には若干のＴｉ粒子，ＴｉＮ粒子が付着した。

【００３９】そこで、この付着したＴｉ粒子，ＴｉＮ粒
子を除去するため、実施例１と同じ条件でコリメータＣ
₁をクリーニングした。本実施例によっても、コリメー
タＣ₁は常に清浄に維持され、優れた再現性をもってＴ
ｉＮ層２６を形成し、さらにはＡｌ−１％Ｓｉ層２４に
よる信頼性の高い接続孔２２の埋め込みを行うことがで
きた。

【００４０】実施例３本実施例は、Ｔｉ層の成膜において平行平板型スパッタ
リング装置のコリメータに付着したＴｉ粒子を、Ｃｌ₂
／Ａｒ混合ガスを用いてエッチング除去した例である。
まず、図２（ａ）に示されるウェハ３を図１（ａ）に示
される状態の平行平板型スパッタリング装置にセット
し、実施例１と同じ条件でＴｉ層２３を形成した。

【００４１】次に、一例として下記の条件でプラズマ・
エッチングを行うことにより、コリメータＣ₁の表面に
堆積したＴｉ粒子２３ａを除去した。Ｃｌ₂流量２０ＳＣＣＭＡｒ流量８０ＳＣＣＭガス圧０．４ＰａＤＣ電力０ＷＲＦ電力２００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）このクリーニング工程では、Ｃｌ^*の作用によりＴｉ粒
子２３ａがＴｉＣｌ_xの形で除去された。このプラズマ
放電中、コリメータＣ₁はカソードとなっているため、
上記のラジカル反応は、該コリメータＣ₁に入射するＣ
ｌ_x ⁺，Ａｒ⁺等の運動エネルギーにアシストされてい
る。

【００４２】本実施例によっても、コリメータＣ₁は常
に清浄に維持され、優れた再現性をもってＴｉ層２３を
形成することができた。特に本実施例では、物理的なス
パッタリングのみならず、化学的なエッチングがクリー
ニングに寄与しているため、前述の実施例１や実施例２
に比べてＲＦ電力を低減させた条件下でも良好なクリー
ニングを行うことができた。このことは、コリメータＣ
₁の構成材料自身のスパッタ・アウトを抑制し、プロセ
スを低汚染化する上で有利である。

【００４３】実施例４本実施例は、ＴｉＮ層の成膜において平行平板型スパッ
タリング装置のコリメータに付着したＴｉ粒子，ＴｉＮ
粒子を、Ｂｒ₂／Ｎ₂混合ガスを用いてエッチング除去
した例である。まず、実施例２と同様の条件でＴｉ層２
３を成膜した後、一例として下記の条件でコリメータＣ
₁をクリーニングした。

【００４４】Ｂｒ₂流量２０ＳＣＣＭＡｒ流量８０ＳＣＣＭガス圧０．４ＰａＤＣ電力０ＷＲＦ電力２５０Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）なお、Ｂｒ₂は常温で液体物質であるため、Ａｒガスを
用いてバブリングしながらチャンバ１内へ導入した。

【００４５】上記の条件では、実施例３に比べてややＲ
Ｆ電力が増大されているが、これは、反応生成物ＴｉＢ
ｒ_xの蒸気圧が実施例３で生成するＴｉＣｌ_xに比べて
低いので、入射イオン・エネルギーをやや高めてスパッ
タリング効果を増強するためである。本実施例によって
も、コリメータＣ₁を常に清浄に維持することができ
た。

【００４６】実施例５本実施例は、平行平板型スパッタリング装置を用いてＴ
ｉ層を成膜する場合に、コリメータを加熱することによ
りその表面におけるＴｉ粒子２３ａのマイグレーション
を促進し、目詰まりを軽減させた例である。本実施例で
使用したスパッタリング装置を、図３に示す。図３の参
照符号は図１と一部共通であり、各部の説明は重複を避
けるために図１と異なる部分についてのみ行う。

【００４７】本実施例で使用する装置では、コリメータ
Ｃ₂は図３（ｂ）に示されるようにメッシュ板１２とセ
ル１２ａで構成されるメッシュ部の周囲に円環状の枠部
１６を有している。この枠部１６は、熱容量の大きい材
料により構成される。枠部１６とメッシュ部とは分離可
能となっており、メッシュ部の目詰まりの程度に応じて
この部分のみを交換することができる。また、この枠部
１６の内部には、図３（ａ）に示されるようにヒータ１
７が埋設されている。このヒータは、加熱用ＤＣ電源１
８に接続されることによりコリメータＣ₂を所定の温度
に加熱するようになされており、成膜中は常に通電され
ている。ここでは、コリメータＣ₂を約３００℃に加熱
した。また、本実施例では、ターゲット５とＤＣ電源１
０との間のスイッチは不要である。

【００４８】次に、この装置を使用し、実施例１と同じ
条件でＴｉ層２３の成膜を行った。このとき、コリメー
タＣ₂上にもＴｉ粒子２３ａが付着するが、このコリメ
ータＣ₂は加熱されているのでメッシュ板１２上におけ
るＴｉ粒子２３ａのマイグレーションが促進された。し
たがって、図４に示されるように、Ｔｉの堆積層２３ｃ
はメッシュ板１２の表面に薄く広がるように形成され、
セル１２ａの開口端付近の開口断面積を大きく減少させ
ることはなかった。

【００４９】本実施例によっても、優れた再現性をもっ
てＴｉ層２３を形成し、さらにはＡｌ−１％Ｓｉ層２４
による信頼性の高い接続孔２２の埋め込みを行うことが
できた。なお、実施例２と同様の条件でＴｉＮ層２６を
形成した場合にも、上述のようなコリメータＣ₂の加熱
は有効であった。

【００５０】実施例６本実施例は、ＥＣＲスパッタリング装置にコリメータを
配設し、ＥＣＲポジションとコリメータの距離を変化さ
せてＡｒガス・スパッタリングによるクリーニングを随
時行いながら、Ｔｉ層の成膜を再現性良く行った例であ
る。まず、本実施例で使用するＥＣＲスパッタリング装
置を図５に示す。この装置は、円筒形のプラズマ生成室
３４と円筒形の堆積室３８とがプラズマ引出し窓３７を
介して接続された構成を有する。

【００５１】上記プラズマ生成室３４の側壁面には導波
管３１が開口しており、マグネトロン３２から発生する
２．４５ＧＨｚのマイクロ波を石英窓３３を介して導入
するようになされている。また、プラズマ生成室３４は
８．７５×１０^-2Ｔ（＝８７５Ｇ）の磁束密度を達成可
能なソレノイド・コイル３５ａ，３５ｂに周回されてい
る。これらソレノイド・コイル３５ａ，３５ｂが発生す
る磁界と、この磁界に直交するマイクロ波電界との相互
作用により電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を起こ
し、ガス導入管３０を通じて矢印Ｄ方向から導入される
ガスを効率良く分解してＥＣＲプラズマＰを発生させる
わけである。

【００５２】さらに、上記プラズマ生成室３４の図中左
端の内壁面には、ターゲット３６が配設されている。

【００５３】一方の堆積室３８は、ウェハ載置電極４０
を収容しており、この上にウェハ４４がクランプ４１を
用いて固定される。堆積室３８の一端には排気孔３９が
開口され、この排気孔３９から矢印Ｅ方向に接続される
図示されない排気系統により、装置内部が高真空排気さ
れる。堆積室３８の外壁面の一部は、上記ソレノイド・
コイル３５ａ，３５ｂにより形成される発散磁界をウェ
ハ４４近傍で収束させてＥＣＲプラズマＰをある程度閉
じ込めるためのサブコイル４２に周回されている。ま
た、プラズマ引出し窓３７の直下には、コリメータ４３
が配設されている。このコリメータ４３の形状およびセ
ル４３ａのアスペクト比は、前述の実施例で使用したも
のとほぼ同じである。

【００５４】ところで、本装置では、上段側のソレノイ
ド・コイル３５ａと下段側のソレノイド・コイル３５ｂ
のコイル電流が独立に制御できる。これは、ＥＣＲポジ
ション４６をプラズマ生成室３４の軸方向に沿って移動
させるためである。ＥＣＲポジション４６とは、ω_c＝
ｅＢ／ｍ（ただし、ω_cはサイクロトロン角周波数、ｅ
は電子の電荷、ｍは電子の質量、Ｂは磁束密度を表
す。）の式で表されるＥＣＲ条件が成立する場所であ
り、通常はプラズマ生成室３４内でも点状のごく限られ
た領域である。ＥＣＲポジション４６では、ＥＣＲプラ
ズマＰ中で最もイオン電流密度が高くなっており、また
イオンの方向性も揃っている。

【００５５】したがって、図５（ａ）に示されるように
ＥＣＲポジション４６をターゲット３６の近傍に移動さ
せた場合には、該ターゲット３６が方向性の揃ったイオ
ンにより効率良くスパッタされる。一方、図５（ｂ）に
示されるようにＥＣＲポジション４６をコリメータ４３
の近傍に移動させた場合には、高密度のラジカルや方向
性の揃ったイオンにより高速なクリーニングが行われ
る。このクリーニングの際には、ウェハ４４の汚染を防
止するためにウェハ載置電極４０を下降させることが望
ましい。このとき、ウェハ４４に代えてダミー・ウェハ
４５を載置すれば、一層好ましい。

【００５６】次に、この装置を使用して実際にＴｉ膜を
成膜した。ターゲット３６としてはＴｉターゲットをセ
ットし、ガス導入管３０からはＡｒガスを導入した。ウ
ェハ載置電極４０上には、前述の図２（ａ）に示される
状態のウェハ４４をセットした。この状態で、一例とし
て下記の条件でＴｉ層２３を形成した。

【００５７】Ａｒ流量１００ＳＣＣＭガス圧０．１Ｐａマイクロ波電力１ｋＷコイル電流３０Ａ（上段側ソレノイド・コイル３５ａ）２Ａ（下段側ソレノイド・コイル３５ｂ）ウェハ温度１５０℃ この条件では、ＥＣＲポジション４６は図５（ａ）に示
されるようにターゲット３６近傍にあり、Ａｒ⁺による
スパッタリングが進行した。スパッタ・アウトされたＴ
ｉ粒子はコリメータ４３のセル４３ａを通過してウェハ
４４に到達した。この結果、図２（ｂ）に示されるよう
に、段差被覆性に優れたＴｉ層２３が形成された。

【００５８】次に、コリメータ４３に付着したＴｉ粒子
を除去するため、ウェハ載置電極４０を下降させ、ウェ
ハ４４を搬出して代わりにダミー・ウェハ４５をセット
した。この状態で、上述の放電条件のうちコイル電流の
みを下記のように変更した。コイル電流５Ａ（上段側ソレノイド・コイル３５ａ）３０Ａ（下段側ソレノイド・コイル３５ｂ）この条件では、ＥＣＲポジション４６は図５（ｂ）に示
されるようにコリメータ４３近傍に移動し、Ａｒ⁺によ
りＴｉ粒子がスパッタ除去された。

【００５９】このクリーニングにより、枚葉処理を繰り
返しても常に再現性の高いＴｉ層２３が形成された。ま
た、Ｔｉ層２３の段差被覆性が向上することにより、後
工程で形成されるＡｌ−１％Ｓｉ層２４の埋め込み特性
も向上した。

【００６０】実施例７本実施例では、同じＥＣＲスパッタリング装置を用い、
反応性スパッタリングによりＴｉＮ膜２６を成膜した。
スパッタリング条件の一例を示す。Ａｒ流量８０ＳＣＣＭＮ₂流量２０ＳＣＣＭガス圧０．１Ｐａマイクロ波電力１ｋＷコイル電流３０Ａ（上段側ソレノイド・コイル３５ａ）５Ａ（下段側ソレノイド・コイル３５ｂ）ウェハ温度１５０℃ この条件ではＥＣＲポジション４６がターゲット３６の
近傍に現れ、Ａｒ⁺やＮ_x ⁺によるＴｉターゲットのス
パッタリングが進行した。この結果、図２（ｂ）に示さ
れるように段差被覆性に優れるＴｉＮ層２６が高い再現
性をもって形成された。

【００６１】続いて、コリメータ４３のクリーニングを
行うため、上述の放電条件のうちコイル電流のみを下記
のように変更した。コイル電流５Ａ（上
段側ソレノイド・コイル３５ａ）３０Ａ（下段側ソレノ
イド・コイル３５ｂ）このクリーニングにより、コリメ
ータ４３は常に清浄に維持された。

【００６２】実施例８本実施例では、同じＥＣＲスパッタリング装置を用いた
Ｔｉ層の形成において、コリメータに付着したＴｉ粒子
をＣｌ₂／Ｎ₂混合ガスを用いてエッチング除去した。
本実施例におけるＴｉ層２３の成膜条件は、実施例６と
同じである。

【００６３】その後、一例として下記の条件でコリメー
タ４３に付着したＴｉ粒子をエッチング除去した。Ｃｌ₂流量８０ＳＣＣＭＡｒ流量２０ＳＣＣＭガス圧０．１Ｐａマイクロ波電力８００Ｗコイル電流５Ａ（上段側ソレノイド・コイル３５ａ）３０Ａ（下段側ソレノイド・コイル３５ｂ）

【００６４】このクリーニング工程では、ＥＣＲポジシ
ョン４６がコリメータ４３近傍に移動し、Ａｒ⁺，Ｃｌ
_x ⁺等のイオン入射エネルギーにアシストされながら、
Ｃｌ ^*によりＴｉ粒子が除去された。上記の条件は、前
述の実施例６よりもマイクロ波電界を低下させた条件と
なっている。これは、本実施例におけるクリーニングで
は物理的なスパッタリングのみならず、化学的なエッチ
ングが寄与しており、ＥＣＲプラズマＰの密度が若干低
くてもラジカル反応による効率良いＴｉ粒子の除去が可
能となるからである。

【００６５】以上、本発明を８例の実施例にもとづいて
説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定される
ものではない。たとえば、上記Ｔｉ層，ＴｉＮ層は、い
ずれもバリヤメタルとして設けられる層であるが、Ｔｉ
層はオーミック性に優れ、ＴｉＮ層にはバリヤ性に優れ
るという異なる長所を有している。そこで、両層をこの
順に積層した２層構造のバリヤメタルが知られており、
かかる２層を連続成膜するプロセスにも本発明を適用す
れば良好な結果が得られる。また、ＴｉＮ層の成膜時に
雰囲気中にＯ₂を導入してＴｉＯＮ層としても良い。さ
らには、チタン化合物としてＴｉＷ合金等を使用するこ
ともできる。

【００６６】その他、ウェハの構成、コリメータの構
成、スパッタリング条件、クリーニング条件、使用する
スパッタリング装置の構成等は適宜変更可能であること
は、言うまでもない。

【００６７】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明を適用すれば、高温スパッタリングにより段差被覆性
を改善することができない高融点金属等をコリメータを
介してスパッタリングする際に、コリメータの目詰まり
を随時解消し、アスペクト比の高い微細な接続孔の内壁
面等にも再現性の高い薄膜形成を行うことができる。

【００６８】また、従来は目詰まりが発生するたびに装
置を大気開放して交換していたコリメータを半永久的に
使用できるようになる他、コリメータのクリーニングを
装置の高真空状態を維持したまま行うことができ、メン
テナンス時間も大幅に短縮することができる。本発明
は、微細なデザイン・ルールにもとづいて設計され、高
性能、高集積度、高信頼性を要求される半導体装置の製
造等において極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で使用される平行平板型スパッタリング
装置の構成例と使用状態を示す概略断面図であり、
（ａ）はスパッタリング時、（ｂ）はコリメータのクリ
ーニング時にそれぞれ対応する。

【図２】本発明を接続孔の埋め込みに適用したプロセス
例をその工程順にしたがって示す模式的断面図であり、
（ａ）は下層配線上の層間絶縁膜に接続孔が開口された
状態、（ｂ）はウェハの全面にＴｉ層またはＴｉＮ層が
被着された状態、（ｃ）は接続孔がＡｌ−１％Ｓｉ層で
埋め込まれた状態をそれぞれ表す。

【図３】本発明で使用される平行平板型スパッタリング
装置の他の構成例を示す図であり、（ａ）は装置全体の
概略断面図、（ｂ）はヒータを内蔵するコリメータの平
面図をそれぞれ表す。

【図４】上記ヒータを内蔵するコリメータの表面におけ
る堆積層の形成状態を示す要部拡大断面図である。

【図５】本発明で使用されるＥＣＲスパッタリング装置
の構成例と使用状態を示す概略断面図であり、（ａ）は
スパッタリング時、（ｂ）はコリメータのクリーニング
時にそれぞれ対応する。

【図６】従来の平行平板型スパッタリング装置の構成例
を示す図であり、（ａ）は装置全体の概略断面図、
（ｂ）はコリメータの平面図をそれぞれ表す。

【図７】従来のコリメータ・スパッタリングにおける問
題点を説明するための上記コリメータの要部拡大断面図
であり、（ａ）はコリメータへの材料粒子の入射状態、
（ｂ）は堆積層の形成によりセルの開口断面積が減少し
た状態をそれぞれ表す。

【図８】従来の接続孔の埋め込みにおける問題点を説明
するための模式的断面図であり（ａ）は下層配線上の層
間絶縁膜に接続孔が開口された状態、（ｂ）は接続孔の
内部でＴｉ層の段差被覆性が劣化した状態、（ｃ）は接
続孔がＡｌ−１％Ｓｉ層で完全に埋め込まれず鬆が発生
した状態をそれぞれ表す。

【符号の説明】

３，４４・・・ウェハ５，３６・・・ターゲットＣ₁，Ｃ₂，４３・・・コリメータ１０，１８・・・ＤＣ電源１１・・・スイッチ１２・・・メッシュ板１２ａ，４３ａ・・・セル１３・・・ＲＦ電源１６・・・枠部１７・・・ヒータ２０・・・下層配線２１・・・層間絶縁膜２２・・・接続孔２３・・・Ｔｉ層２３ａ・・・Ｔｉ粒子２３ｃ・・・（Ｔｉの）堆積層２４・・・Ａｌ−１％Ｓｉ層２６・・・ＴｉＮ層４６・・・ＥＣＲポジション

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物理的気相成長装置のチャンバ内でコリ
メータを通過して飛来する材料粒子を基板上に堆積させ
ることにより薄膜を形成する薄膜形成方法において、前記材料粒子の堆積による前記コリメータの開口断面積
の縮小を前記チャンバ内で抑制することを特徴とする薄
膜形成方法。
【請求項２】前記コリメータに堆積した前記材料粒子
を不活性ガスを用いてスパッタリング除去することによ
り前記開口断面積の縮小を抑制することを特徴とする請
求項１記載の薄膜形成方法。
【請求項３】前記コリメータに堆積した前記材料粒子
をエッチング除去することにより前記開口断面積の縮小
を抑制することを特徴とする請求項１記載の薄膜形成方
法。
【請求項４】前記コリメータを加熱してその表面にお
ける前記材料粒子の被覆性を向上させることにより前記
開口断面積の縮小を抑制することを特徴とする請求項１
記載の薄膜形成方法。
【請求項５】前記材料粒子はチタンもしくはチタン化
合物であることを特徴とする請求項１ないし請求項４の
いずれか１項記載の薄膜形成方法。
【請求項６】前記物理的気相成長装置は平行平板型ス
パッタリング装置もしくはＥＣＲスパッタリング装置で
あることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれ
か１項記載の薄膜形成方法。