JPH0617243A - 金属薄膜の堆積方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 金属薄膜の堆積方法及び金属配線層の形成方
法に関し、一定の堆積速度で金属薄膜を形成する方法と
アスペクト比の大きいビアホールをカバレッジよく埋め
込む方法とを提供することを目的とする。 【構成】 レーザ光を透過する平板31の一方の面に金属
膜32を堆積してターゲット板３を形成し、このターゲッ
ト板３に、金属膜32の形成された面の反対側の面からレ
ーザ光を照射して、レーザアブレーション現象により金
属膜32より放出された金属をターゲット板３の金属膜32
に平行に対向して配設された半導体ウェーハ４上に堆積
してビアホールを埋め込むようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体デバイスにアル
ミニウム、ニッケル、タングステン、モリブデン、銅、
チタン及びそれらの合金等よりなる金属薄膜を堆積する
方法及びその金属薄膜の堆積方法を使用してなす金属配
線の形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザアブレーション現象を利用した従
来の金属薄膜の形成方法を図８を参照して説明する。図
において、１は真空チャンバであり、２はレーザ光を透
過する物質、例えば石英ガラスよりなるレーザ光導入窓
であり、３は堆積しようとする金属よりなるターゲット
板であり、４は金属が堆積される基板である。

【０００３】ターゲット板３にレーザ光導入窓２を介し
てレーザ光が照射されると、ターゲット板３のレーザ光
が照射された面から金属粒子が放出され、この金属粒子
がターゲット板３に対向して配設されている基板４上に
飛来して堆積する。

【０００４】また、金属配線層（アルミニウム、ニッケ
ル、タングステン、モリブデン、銅、チタン及びそれら
の合金）の形成には、従来、スパッタ法や真空蒸着法が
広く用いられている。これらの方法においては、ビアホ
ールの直径が大きく、アスペクト比が小さい場合は、ビ
アホールの底と側壁のいずれの部分に対しても金属はそ
れ以外の部分と同程度の厚さに堆積する。したがって、
ビアホールの底と側壁の部分の電気抵抗の増大や断線の
心配はなかった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】金属薄膜の形成方法に
おいては、ターゲット板３から放出された金属粒子はレ
ーザ光導入窓２の真空側にも飛来し、堆積する。そのた
め、レーザ光導入窓２のレーザ光に対する透過率が次第
に低下し、基板上への金属の堆積速度が次第に低下する
という欠点がある。

【０００６】また、金属配線層の形成方法においては、
近年、半導体装置の高集積化、微細化に伴い、半導体装
置のビアホールの直径が小さく、かつアスペクト比が大
きくなっており、ビアホール中に金属をカバレッジよく
堆積することが大変困難になってきている。

【０００７】図14は従来の問題点を説明するための断面
図である。図において、６はシリコンウェーハであり、
６ａはビアホールであり、７は金属層である。ビアホー
ル６ａは直径が例えば０．６μｍ、深さが例えば１μｍ
であり、金属層７は例えばアルミニウム（Ａｌ）であ
り、その厚さは例えば１μｍである。

【０００８】従来のスパッタ法や真空蒸着法では、金属
源から放出される粒子の運動方向に指向性はあまりな
い。その結果、ビアホールに堆積した金属層の形状は図
14に模式的に示すように、ビアホール６ａの縁から堆積
物が迫り出し、この部分のシャドウ効果のためにビアホ
ール６ａの側壁への堆積が妨げられ、側壁部分及び底で
は他の部分に比べて堆積した金属層の厚さが薄くなる。
その結果、側壁部分及び底は他の部分に比べて電気抵抗
が大きくなり、最悪の場合は側壁部分で断線状態に陥
る。

【０００９】本発明の目的は、これらの欠点を解消する
ことにあり、レーザ光導入窓に金属が堆積するのを防止
して、一定の堆積速度で金属を堆積しうるようにする金
属薄膜の堆積方法と、この金属薄膜の堆積方法を使用し
て、直径が小さく、かつアスペクト比の大きいビアホー
ルをカバレッジよく埋め込んで、信頼性の高い配線層を
形成する方法とを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的のうち、金属
薄膜の形成方法は、レーザ光を透過する平板（31）の一
方の面に金属膜（32）を堆積してターゲット板（３）を
形成し、このターゲット板（３）に、前記の金属膜（3
2）の形成された面の反対側の面からレーザ光を照射し
て、レーザアブレーション現象により前記金属膜（32）
より放出された金属を、前記のターゲット板（３）の前
記の金属膜（32）に対向して配設された基板（４）上に
堆積する金属薄膜の堆積方法によって達成される。

【００１１】なお、前記の平板（31）のレーザ光入射面
と金属膜（32）形成面とを研磨して両面を平行にすると
ゝもに両面の凹凸をそれぞれ５０Åより小さくすると堆
積速度が増加し、また、前記のターゲット板（３）を移
動させながら前記の基板（４）上に金属薄膜を堆積する
とターゲット板（３）を長時間使用する上で効果的であ
り、且つ前記の基板（４）上に堆積した金属薄膜の厚さ
を前記の金属膜（32）の厚さより大きくでき、また、前
記のターゲット板（３）を加熱し、このターゲット板
（３）上に形成された前記の金属膜（32）を融解させる
ことも効果的である。

【００１２】上記の目的のうち、金属配線層の形成方法
は、図９の原理図に示すように、ビアホール（６ａ）の
形成された半導体ウェーハ（６）とレーザ光を透過する
平板（31）の片面に金属膜（32）の形成されたターゲッ
ト板（３）とを、前記のビアホール（６ａ）の形成され
た面と前記の金属膜（32）の形成された面とを平行に対
向させて配置し、このターゲット板（３）の金属膜（3
2）の形成された面の反対側の面にレーザ光を照射し、
レーザアブレーション現象によりこの金属膜（32）より
金属を放出させ、前記の半導体ウェーハ（６）に金属層
（７）を堆積して前記のビアホール（６ａ）を埋め込む
半導体装置の製造方法によって達成される。

【００１３】また、前記のターゲット板（３）と前記の
半導体ウェーハ（６）とを主面に平行に動かして、この
半導体ウェーハ（６）上の異なる位置のビアホールに次
々に金属層（７）を堆積しビアホールを埋め込むとよ
い。

【００１４】また、前記のターゲット板（３）上のレー
ザ光照射領域（８）とその延長上の前記の半導体ウェー
ハ（６）の領域の間の空間に開口（９ａ）を有する遮蔽
板（９）を配置すると効果的である。

【００１５】

【作用】図１に示すように、レーザ光を透過する平板31
の一方の面に金属膜32の形成されたターゲット板３の金
属膜32の形成されていない方の面からレーザ光を照射す
ると、レーザ光は平板31を透過して金属膜32に入射し、
レーザアブレーション現象によって金属粒子が金属膜32
の表面から金属膜32の表面に垂直な方向に飛び出す。飛
び出した金属粒子は金属膜32に対向して配設されている
基板４の上に堆積する。このため、ターゲット板３を挟
んで基板４と反対側にあるレーザ光導入窓２の真空側に
は金属が堆積しなくなり、レーザ光導入窓２のレーザ光
に対する透過率が低下しなくなる。なお、ターゲット板
３に金属膜32が０．０５μｍ以上残存していれば、レー
ザ光が金属膜32を透過して基板４に入射することはな
い。

【００１６】また、レーザアブレーション現象では、タ
ーゲットの金属膜から放出される金属粒子は主に金属膜
表面から垂直な方向に放出されるため、スパッタ法や真
空蒸着法による放出粒子と比較して運動方向に指向性を
持つ。このため、半導体ウェーハ６のビアホール６ａの
形成された面とターゲット板３の金属膜32の形成された
面を平行に対向させて配置し、ターゲット板３の金属膜
32の形成された面の反対側の面にレーザ光を照射し、レ
ーザアブレーション現象により金属膜32より金属粒子を
放出させると、ビアホール６ａにはほゞ垂直方向から金
属粒子が飛来することになり、ビアホールの縁からの堆
積金属の迫り出しは減少し、ビアホールの中に金属層７
をカバレッジよく堆積することができる。

【００１７】また、半導体ウェーハ６を主面に平行に動
かして、ターゲット板３上のレーザ光照射領域８の下に
次々に半導体ウェーハ６の異なる点をもってくることに
より各種の形と広さの金属層７の形成に対処することが
できる。

【００１８】また、ターゲット板３上のレーザ光照射領
域８とその延長上の半導体ウェーハ６の領域の間の空間
に開口９ａを有する遮蔽板９を配置するようにすれば、
基板上に到達する金属粒子のうちビアホール６ａの底に
到達できる運動方向を持つ金属粒子の割合が大きくなる
ので、ビアホール６ａの縁からの堆積金属の迫り出しが
さらに抑制される。

【００１９】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の四つの実施
例に係る金属薄膜の堆積方法と四つの実施例に係る金属
配線層の形成方法とについて説明する。 （１）金属薄膜の堆積方法

【００２０】第１実施例 図１参照 図１に金属薄膜の堆積装置の構成図を示す。図におい
て、１は真空チャンバであり、２はレーザ光導入窓であ
り、３はレーザ光を透過する材料、例えば石英ガラスよ
りなる平板31の一方の面に金属膜32の形成されたターゲ
ット板であり、４は金属が堆積される基板である。

【００２１】ターゲット板３として、厚さ１ｃｍの石英
ガラス31の一方の面に０．１μｍ厚にアルミニウム膜32
を堆積したものを使用する。このターゲット板３のアル
ミニウム膜32から５ｃｍ離隔してターゲット板３に平行
にシリコン基板４を配設する。真空チャンバ１内の圧力
を１×１０^-7Torrとし、ＡｒＦエキシマレーザ（繰り返
し周波数５０Ｈｚ、パルス幅１５ｎｓ、１パルスあたり
のエネルギー１５０ｍＪ）をレーザ光導入窓２から導入
して、ターゲット板３のアルミニウム膜32上において１
ｍｍ×１ｍｍ程度の大きさに集光するように照射する。

【００２２】図２参照 このようにしてレーザ光を約１０分間照射したときのシ
リコン基板４の上に堆積したアルミニウム膜５の断面を
図２に示す。なお、レーザ光導入窓２の真空側にはアル
ミニウムの堆積はなかった。

【００２３】第２実施例 図３参照 ターゲット板３の石英ガラス31の両面を研磨し、レーザ
光入射面とアルミニウム膜32形成面とを平行にするとゝ
もに、表面の凹凸をいずれも５０Å以下にする。その他
の条件は第１実施例と同一にしてアルミニウム膜を堆積
すると、ターゲット板３のレーザ光入射面とアルミニウ
ム膜形成面とにおけるレーザ光の散乱が少なくなるた
め、図３に示すように、シリコン基板４上に堆積するア
ルミニウム膜５の厚さは第１実施例に比べて約５０％増
加した。

【００２４】第３実施例 図４、図５参照 ターゲット板３を固定してレーザ光を照射する場合に
は、約１０分間の照射で石英ガラス31上のアルミニウム
膜32に、図４に示すように１ｍｍ×１ｍｍ×０．０５μ
ｍ（深さ）の凹部が形成されるが、ターゲット板を移動
してターゲット板の全面にレーザ光を照射するようにす
れば、図５に示すように、１０分間の照射でアルミニウ
ム膜32が均等に約０．０２μｍ薄くなるだけである。こ
の方法を使用すれば、ターゲット板を長時間使用するこ
とが可能になり、且つターゲット板上のアルミニウム膜
の厚さ０．１μｍ以上の厚さに基板上にアルミニウム膜
を堆積できる。

【００２５】第４実施例 図６、図７参照 石英ガラス31上のアルミニウム膜32を６６０℃程度に加
熱して融解させておいてレーザ光を照射すると、レーザ
パルスが照射された直後はアルミニウム膜32から粒子が
飛び出して、図６に示すようにアルミニウム膜32に凹部
が形成されるが、次のレーザパルスが照射されるまでに
融解しているアルミニウムによって凹部が埋められ、図
７に示すように凹部が消滅する。このようにすれば、タ
ーゲット板を常に同じ条件に保ってアルミニウム膜を堆
積することが可能になり、また、ターゲット板を頻繁に
移動しなくても長時間の使用が可能になる。 （２）金属配線層の形成方法 図９（ａ）〜（ｃ）は本発明の原理説明図である。

【００２６】図９（ａ）はレーザアブレーション現象を
利用した金属膜堆積装置の概略図である。図において、
６は半導体ウェーハであり、６ａはビアホールであり、
３はターゲット板であり、31はレーザ光を透過する平板
であり、32は金属膜であり、10はレーザであり、11はレ
ンズであり、２はレーザ光導入窓であり、１は真空チャ
ンバである。

【００２７】図９（ｂ）はターゲット板と基板の移動を
示す図である。図において、７は金属層であり、８はレ
ーザ光照射領域である。図９（ｃ）はさらに開口９ａを
有する遮蔽板９を配置した図である。

【００２８】以下、図９（ａ）〜（ｃ）に基づく具体的
な実施例について説明する。レーザ10として、例えばＡ
ｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ、繰り返し周波数
５０Ｈｚ、パルス幅１５ｎｓ）を用いる。１パルス当り
のエネルギーは１５０ｍＪである。レーザ光導入窓２は
この波長の光を通す材料で構成する。ターゲット板３を
構成する平板31もこの波長の光を通す材料で構成し、厚
さは例えば１０ｍｍとする。ターゲット板３の片側には
金属膜32として厚さ０．１μｍのアルミニウム（Ａｌ）
膜が形成されている。半導体ウェーハ６は、例えばシリ
コンウェーハで、表面の絶縁膜に直径０．６μｍ、深さ
１μｍのビアホール６ａが形成され、その底部には半導
体層または金属層が露出している。図ではビアホールを
１箇だけ示したが、複数箇あってもかまわない。

【００２９】シリコンウェーハ６のビアホール６ａの形
成された面とターゲット板３の金属膜32の形成された面
とを平行に対向させる。その間隔は例えば５ｍｍとす
る。レンズ11によりレーザ光を金属膜32の位置に集光さ
せる。そのレーザ光照射領域は例えば１ｍｍ×１ｍｍで
ある。アルミニウム膜32のレーザアブレーション現象に
よるシリコンウェーハ６への金属層７堆積時の真空チャ
ンバ１内の圧力は、１×１０^-7Torrとする。

【００３０】第１実施例 図10は第１実施例を説明するための断面図である。レー
ザとシリコンウェーハ６の位置を固定し、ターゲット板
３を主面に平行に１ｃｍ／分の速さで移動させながらレ
ーザの照射を２０分間行った。

【００３１】シリコンウェーハ６上には、厚さ約１μｍ
の金属層（アルミニウム層）７が堆積した。ビアホール
６ａの縁にアルミニウムの迫り出しはなく、ビアホール
６ａ内はアルミニウムで完全に埋め込まれた。

【００３２】第２実施例 図11（ａ）・（ｂ）は第２実施例を説明するための断面
図であり、（ａ）は遮蔽板９をシリコンウェーハ６とタ
ーゲット板３との間に配置した場合、（ｂ）は比較のた
め遮蔽板９を配置しない場合を示す。

【００３３】遮蔽板９は例えば０．５ｍｍ×０．５ｍｍ
□の開口９ａを持つアルミニウムであり、シリコンウェ
ーハ６のビアホール６ａの形成された面とターゲット板
３のアルミニウム膜32の形成された面のほゞ中間に配置
する。開口９ａはレーザ光照射領域８を延長した領域の
ほゞ中央に位置するようにした。

【００３４】第１実施例と同様にして、レーザとシリコ
ンウェーハ６の位置を固定し、ターゲット板３を主面に
平行に１ｃｍ／分の速さで移動させながらレーザを照射
して、シリコンウェーハ６上に厚さ約０．５μｍの金属
層（アルミニウム層）７を堆積した。

【００３５】遮蔽板９を配置した場合（図11（ａ））と
配置しない場合（図11（ｂ））とを比較すると、遮蔽板
９の存在により、基板上に到達する金属粒子のうちビア
ホール６ａの底へ到達できる運動方向を持つ金属粒子の
割合が増え、一方、ビアホール６ａの側壁への堆積が減
少し、遮蔽板９を配置することにより、ビアホール６ａ
の埋め込みがさらによくなる。

【００３６】第３実施例 図12（ａ）・（ｂ）は第３実施例を説明するための断面
図であり、（ａ）はシリコンウェーハ６のビアホール６
ａの形成された面とターゲット板３のアルミニウム膜32
の形成された面を平行に配置した場合、（ｂ）は比較の
ためシリコンウェーハ６のビアホール６ａの形成された
面をターゲット板３のアルミニウム膜32の形成された面
に対して例えば３０°傾けた場合を示す。

【００３７】第１実施例と同様にして、アルミニウム膜
32に２０分間のレーザ光照射を行った。但し、ターゲッ
ト板３の移動方向は図面に垂直な方向とする。

【００３８】シリコンウェーハ６を傾けた場合（図12
（ｂ））は、金属粒子の飛来方向がビアホール６ａの垂
直軸から傾いているため、ビアホール６ａの片側の側壁
に多くアルミニウム層７が堆積し、ビアホール６ａの埋
め込みが完全でなくなる。

【００３９】第４実施例 図13（ａ）〜（ｄ）は第４実施例を説明するための断面
図であり、図13（ａ）は、シリコンウェーハ６のビアホ
ール６ａの形成された面とターゲット板３のアルミニウ
ム膜32の形成された面とを平行に配置し、ビアホール６
ａがレーザ光照射領域の真下から約５ｍｍ右に離れた位
置に配置した状態を示している。

【００４０】図13（ｂ）は、この状態でビアホール６ａ
にアルミニウム層７が堆積した状態を示す。ビアホール
６ａの位置には金属粒子の飛来が少なく、さらにビアホ
ール６ａ内では金属粒子の飛来方向から見て影になる側
壁には堆積が少ない。

【００４１】図13（ｃ）は、この状態からターゲット板
３とシリコンウェーハ６とを同時に左方向へ１ｍｍづつ
断続的に移動し、第１実施例と同様にして、アルミニウ
ム膜32に２０分間のレーザ光照射を行ってシリコンウェ
ーハ６にアルミニウム層７を堆積したことを説明する図
である。

【００４２】図13（ｄ）はそのようにして２０分間アル
ミニウム膜32にレーザ光照射を行い、アルミニウム層７
をビアホール６ａを含む領域に堆積した結果を示す。ビ
アホール６ａはカバレッジよく埋め込まれている。

【００４３】第１実施例乃至第４実施例に示した例で
は、ビアホール６ａを埋め込むカバレッジのよい金属配
線層の形成される領域は１ｍｍ×１ｍｍ□程度の領域で
あるが、シリコンウェーハを移動して金属配線層の形成
される領域を次々に変更していくことにより、所望の広
さの領域に金属配線層を形成することができる。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明に係る金属
薄膜の堆積方法においては、ターゲット板としてレーザ
光を透過する平板の一方の面に金属膜を形成したものを
使用し、金属膜の形成されていない方の面からレーザ光
を照射して金属粒子を金属膜の表面に垂直な方向に放出
させ、この放出された金属粒子を金属膜に対向して配設
されている基板に堆積させるので、ターゲット板を挟ん
で基板と反対側に配設されているレーザ光導入窓には金
属が堆積することがなくなり、一定の堆積速度で金属薄
膜を堆積することが可能になる。

【００４５】また、この金属薄膜の形成方法を使用すれ
ば、微細な、かつアスペクト比の大きいビアホールをカ
バレッジよく埋め込むことができ、信頼性の高い金属配
線層を形成することができる。本発明は半導体装置の高
集積化、微細化に寄与するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る金属薄膜堆積方法の説明図であ
る。

【図２】シリコン基板上に堆積したアルミニウム膜の断
面図である。

【図３】ターゲット板の石英ガラス表面の凹凸を５０Å
以下にした場合のシリコン基板上に堆積したアルミニウ
ム膜の断面図である。

【図４】ターゲット板を移動しないでレーザ光を照射し
た場合のターゲット板の断面図である。

【図５】ターゲット板を移動しながらレーザ光を照射し
た場合のターゲット板の断面図である。

【図６】ターゲット板を加熱した場合のレーザパルス照
射直後のターゲット板の断面図である。

【図７】ターゲット板を加熱した場合の次のレーザパル
ス照射直前のターゲット板の断面図である。

【図８】従来技術に係る金属薄膜堆積方法の説明図であ
る。

【図９】（ａ）〜（ｃ）は本発明の原理説明図である。

【図１０】金属配線層形成の第１実施例を説明するため
の断面図である。

【図１１】（ａ）・（ｂ）は金属配線層形成の第２実施
例を説明するための断面図である。

【図１２】（ａ）・（ｂ）は金属配線層形成の第３実施
例を説明するための断面図である。

【図１３】（ａ）〜（ｄ）は金属配線層形成の第４実施
例を説明するための断面図である。

【図１４】従来の問題点を説明するための断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 真空チャンバ ２ レーザ光導入窓 ３ ターゲット板 31 レーザ光を透過する平板（石英ガラス） 32 金属膜（アルミニウム膜） ４ 基板（シリコン基板） ５ 堆積したアルミニウム膜 ６ 半導体ウェーハ（シリコンウェーハ） ６ａ ビアホール ７ 金属層（アルミニウム層） ８ レーザ光照射領域 ９ 遮蔽膜 ９ａ 開口 10 レーザ（エキシマレーザ） 11 レンズ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を透過する平板（31）の一方の
   面に金属膜（32）を堆積してターゲット板（３）を形成
   し、 該ターゲット板（３）に、前記金属膜（32）の形成され
   た面の反対側の面からレーザ光を照射して、レーザアブ
   レーション現象により前記金属膜（32）より放出された
   金属を、前記ターゲット板（３）の前記金属膜（32）に
   対向して配設された基板（４）上に堆積することを特徴
   とする金属薄膜の堆積方法。
2. 【請求項２】 前記平板（31）のレーザ光入射面と金属
   膜（32）形成面とを研磨して両面を平行にするとゝもに
   両面の凹凸をそれぞれ５０Åより小さくすることを特徴
   とする請求項１記載の金属薄膜の堆積方法。
3. 【請求項３】 前記ターゲット板（３）を移動させなが
   ら前記基板（４）上に金属薄膜を堆積することを特徴と
   する請求項１または２記載の金属薄膜の堆積方法。
4. 【請求項４】 前記ターゲット板（３）を加熱し、該タ
   ーゲット板（３）上に形成された前記金属膜（32）を融
   解させることを特徴とする請求項１、２、または、３記
   載の金属薄膜の堆積方法。
5. 【請求項５】 ビアホール（６ａ）の形成された半導体
   ウェーハ（６）とレーザ光を透過する平板（31）の片面
   に金属膜（32）の形成されたターゲット板（３）とを、
   前記ビアホール（６ａ）の形成された面と前記金属膜
   （32）の形成された面とを平行に対向させて配置し、前
   記ターゲット板（３）の金属膜（32）の形成された面の
   反対側の面にレーザ光を照射し、レーザアブレーション
   現象により前記金属膜（32）より金属を放出させ、前記
   半導体ウェーハ（６）に金属層（７）を堆積して前記ビ
   アホール（６ａ）を埋め込むことを特徴とする半導体装
   置の製造方法。
6. 【請求項６】 前記ターゲット板（３）と前記半導体ウ
   ェーハ（６）とを主面に平行に動かして、該半導体ウェ
   ーハ（６）上の異なる位置のビアホールに次々に金属層
   （７）を堆積しビアホールを埋め込むことを特徴とする
   請求項５記載の半導体装置の製造方法。
7. 【請求項７】 前記ターゲット板（３）上のレーザ光照
   射領域（８）とその延長上の前記半導体ウェーハ（６）
   の領域の間の空間に開口（９ａ）を有する遮蔽板（９）
   を配置することを特徴とする請求項６記載の半導体装置
   の製造方法。