JPH07292474A - 薄膜製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ボトムカバッレッジがよい薄膜を成膜でき、
基板上に設けられたコンタクトホール等の穴や溝に配線
材料を良好に充填できる薄膜製造方法を提供する。 【構成】 本発明は、配線材料から成るターゲット10
と、薄膜が成膜される基板1との間の間隔であるスパッ
タリング距離Lを、前記ターゲット10の有効半径(T/2)と
前記基板の有効半径(S/2)とを加えた値に、前記基板1に
設けられたコンタクトホール3のアスペクト比(R)を掛け
合わせて得られる値である算出距離以上の大きさになる
ように制御してスパッタリングを行い、薄膜7を製造す
ることを特徴とし、ボトムカバレッジのよい薄膜を製造
することができる。また、薄膜が成膜された基板のリフ
ローイングを行えば、コンタクトホール3内を配線材料
で充填することができる。なお、前記スパッタリング距
離を、スパッタリングが行われる際の圧力下での平均自
由行程以下にしておけば、一層効果的である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置等の電子機
器の製造に際して用いられる薄膜製造方法にかかり、特
に基板上に設けられた微細なコンタクトホール等の穴や
溝を配線材料で充填する薄膜製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造工程では、特に超ＬＩＳでは
多層配線が行われており、この多層配線薄膜の間の絶縁
膜にコンタクトホールを開け、薄膜間の多層配線同士を
接続したり、絶縁薄膜の下にある配線金属材料の薄膜を
外部電極に接続したりする等のため、薄膜に設けられた
コンタクトホール等の穴や溝内に配線金属材料を充填す
る技術が必須となっており、このような、コンタクトホ
ールに金属を充填する技術として、従来はCVD法が用い
られてきた。このCVD法は、基板上にガスを導入し、導
入されたガスの反応により膜を堆積させるものであり、
微細な穴でも埋めることができる点で、微細なコンタク
トホールに適用した場合に有効であるとされていた。

【０００３】しかしながらCVD法によると、基板表面で
反応して所望の配線金属材料を基板上に析出させられる
ガスの存在が不可欠である。

【０００４】例えば、シリコン基板上にＴｉＮ膜を成長
させたい場合には、Ｔｉ膜を成長できるようなガスをＳ
ｉ基板表面導入し、化学反応によりＴｉを析出させ、シ
リコン基板上に堆積させる原料ガスが必要となるが、そ
の様な原料ガスはいまのところ発見されていない。この
Ｔｉ膜はＴｉＮ／Ｔｉ／Ｓｉのサンドイッチ構造とし
て、特にシリコン基板を使用した集積回路にとって必要
な薄膜であるため、従来はこれを成膜するために、物理
的な方法であるスパッタリング方法が用いられていた。

【０００５】この一般的なスパッタリング方法による成
膜工程を説明すると、成膜させたい物質から成るターゲ
ット、又は成膜させたい物質の一成分を含むターゲット
を真空槽内のターゲット電極上に置き、真空槽内を真空
状態とした後アルゴン等のスパッタガスを導入し、前記
電極に負電圧を印加して放電を生じせしめ、この放電に
より発生したプラズマ中の電離ガス分子（イオン）で前
記ターゲット表面から薄膜材料物質であるターゲット粒
子を叩き出す。こうしてターゲットから叩き出されたタ
ーゲット粒子は、余弦則によって様々な方向に飛び出し
ていくが、それらのうち、前記ターゲットと対向して配
置された基板に到達したものが堆積するとそこに薄膜を
形成する。

【０００６】このようなスパッタリング方法で、コンタ
クトホール内に金属薄膜を形成する場合を図７(ａ)で説
明すると、１０１はシリコン基板であり、コンタクトホ
ール１０５₁、１０５₂を有しており、該コンタクトホー
ル１０５₁、１０５₂の底面１０２₁、１０２₂の下には、
図示しない拡散層が設けられてて、該拡散層と前記基板
１０１の表面とを配線金属材料の薄膜を形成して、電気
的に接続するものである。

【０００７】ところで、近年は半導体加工加工にも、増
々微細化技術が要求されており、占有面積を小さくする
ために、薄膜に開けられる前記コンタクトホール１０５
₁、１０５₂等の穴や溝の側壁は、その底面から略直角に
立ち上がっるようになっており、しかも開口部を小さく
したことからアスペクト比も大きくなっている。このよ
うなコンタクトホール１０５₁、１０５₂に対して、図示
しないターゲットから叩き出されたターゲット粒子(タ
ーゲットを構成する原子、またはそのクラスター。ター
ゲットがチタンから構成されていればチタン原子、及び
そのクラスターとなる。)１０３は、矢印で示すよう
に、種々の方向から入射する。

【０００８】その結果、図７(ｂ)に示すように基板１に
対して斜め方向から入射してきた前記ターゲット粒子１
０３は前記コンタクトホール１０５の開口部周辺に堆積
し、ここでオーバーハング１０６を形成する。従って、
コンタクトホール底面１０２に到達するターゲット粒子
は少数となり、その部分の配線金属材料の薄膜の厚みが
減少し、所望膜厚を確保できないという不都合が生じて
いた。

【０００９】このような従来のスパッタリング方法によ
る不都合は、配線金属材料の薄膜を成膜する場合の他、
Ｔｉ等のバリアメタルの薄膜を形成する際に発生し、い
ずれの場合でもコンタクトホール底面のボトムカバレッ
ジは悪かった。

【００１０】かかる不都合は、スパッタされたターゲッ
ト粒子が種々の方向からコンタクトホールへ入射するこ
とに起因しており、そこで従来技術より、図８に示すよ
うなコリメータ１２５を使用したコリメータスパッタリ
ング方法が提案されていた（米国特許第4,824,544号明
細書参照）。

【００１１】このコリメータスパッタリング方法とは、
真空槽内のターゲット１２２と基板１２１の間に、コリ
メータ１２５を配置してスパッタリングを行い、前記基
板１２１上に薄膜を堆積させるスパッタリング方法であ
り、前記コリーメータ１２５は、板１２４に貫通穴１２
３フィルター状に開けられて構成されているため、前記
ターゲット１２２から叩き出されたターゲット粒子のう
ち、垂直やそれに近い方向から入射するものだけが該コ
リメータ１２５を通過でき、斜め方向から入射するもの
は該コリメータ１２５に付着するので、これにより、前
記基板１２１上に斜め方向から入射するターゲット粒子
を取り除いてボトムカバレッジを向上させるものであ
る。

【００１２】しかしながら、ターゲットから叩き出され
たターゲット粒子のうちの大部分が前記コリメータ１２
５に付着することになるのでスパッタリングレート(成
膜速度)が低下してしまう。しかも、該コリメータ１２
５に付着したターゲット粒子は薄膜を形成し、それが剥
離するとダストやパーティクルとなってしまう。そして
基板等に落下するので、製品歩留まりの低下や半導体素
子の故障原因になる等の不都合を生じていた。

【００１３】特に、基板上のコンタクトホール内を、ア
ルミ(Ａｌ)や、シリコン添のアルミ等の配線金属で充填
しようとする場合には、チタン(Ｔｉ)等のバリアメタル
を成膜する場合に比べて、基板上には膜厚の厚い薄膜を
成膜しなければならないため、前記コリメータに付着す
るターゲット粒子の量が増し、その結果剥離する薄膜の
量も増加するので、著しく歩留まりが低下してしまって
いた。このような不都合はコリメータを頻繁に交換すれ
ば回避し得るが、コリメータの交換を行うためには真空
槽内を大気に曝さざるを得ず、交換毎に大気圧下の状態
から高真空の状態になるまで長時間真空ポンプを動作さ
せなければならないため、現実的な解決方法としては採
用できなかった。

【００１４】一方、このようなターゲット粒子のコリメ
ータへの付着を放置した場合には、前記貫通穴１２３内
に薄膜が堆積し続ける。特にターゲットに配線材料を使
用した場合にはこの堆積が甚だしいため、貫通穴の径が
徐々に小さくなり、成膜速度が一層低下するばかりでな
く、甚だしい場合にはコリメータが塞がれたり、それに
到らずとも、コリメータの厚みと穴径で決まるコリメー
タ自体が有するアスペクト比が変化する等の不都合を生
じていた。このように、配線材料の成膜にはコリメータ
スパッタリング方法は不向きであるとされていた。

【００１５】一方、コリメータを用いない従来のスパッ
タリング方法を使用して、配線材料を基板上に成膜する
場合には、コンタクトホール周辺には、図７(ｂ)で示し
たバリアメタルのオーバーハング量とは比較にならない
ほど多量のオーバーハングが形成されてしまう。

【００１６】そして配線材料をコンタクトホール内に充
填させるために、加熱によるリフローイングを行う場合
には、前記オーバーハングの影響により、図７(ｃ)に示
すようにコンタクトホール中にボイド１０７₁を生じて
しまう場合があり、完全な充填を行うことができなかっ
た。逆に、オーバーハングを生じないように、配線材料
薄膜を薄く成膜した場合にはコンタクトホール底面に堆
積したものの膜厚が特に薄くなるため、リフローイング
時に膜厚の厚い基板表面上の薄膜に吸い取られてしま
い、コンタクトホール内に配線材料がなくなってしまう
という事態を生じることが知られている。

【００１７】なお、バイアスを掛けてスパッタリングを
行った場合でも、かかる不都合を解消することができ
ず、図７(ｄ)に示すように、同様にボイド１０７₂が発
生してしまう。

【００１８】このうように、コリメータを用いないスパ
ッタリング方法では、コンタクトホールを配線材料で完
全に埋め込むことはできなかった。

【００１９】ところで、従来技術で用いられていたスパ
ッタリング装置では、ターゲットと基板の間の間隔であ
るスパッタリング距離は、数cmから１０cm程度までに設
定されているのが普通であり、一方、８インチウェハー
に対応できるように、ターゲットの径は大きくなってお
り、従って、前記スパッタリング距離はターゲットの直
径や基板の直径よりも短くなっていることとなる。この
ため、例えばターゲット周辺から基板上に入射するター
ゲット粒子の入射角は小さくなり、甚だしい斜め方向か
ら入射することになる。このような斜め方向から入射す
るターゲット粒子の量は、大口径のターゲットを用いた
り、成膜速度を向上させるためにターゲットと基板の間
のスパッタリング距離を短くした場合には特に多量にな
り、そのため一層コンタクトホール周辺のオーバーハン
グ量が増大し、ボトムカバレッジが低下する等の不具合
を生じてしまうという問題があった。

【００２０】なお、本発明にいう「配線材料」は、アル
ミ金属の他、シリコンや銅が添加されたアルミ金属も含
み、更に、バリアメタルとして用いられるチタン金属等
も含むものとする。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来技術
の不都合を解消するために創作されたもので、その目的
は、剥離薄膜の発生等の問題を生ずることなく、オーバ
ーハングが生じず、良好なボトムカバッレッジを得るこ
とができる薄膜製造方法を提供することにあり、また、
基板上に設けられたコンタクトホール等の穴や溝に配線
材料を良好に充填できる薄膜製造方法を提供することに
ある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、真空槽内に配線材料から成
るターゲットと、表面にコンタクトホールが設けられた
基板とを対向させて略平行に配置し、前記真空槽内にス
パッタリングガスを導入して所定のスパッタリング圧力
を保持し、前記スパッタリングガスで前記ターゲットを
スパッタしてターゲット粒子を叩き出し、前記基板上に
前記ターゲット粒子を堆積させて薄膜を製造する薄膜製
造方法であって、前記ターゲットと前記基板の間の間隔
であるスパッタリング距離を、前記ターゲットの有効半
径と前記基板の有効半径とを加えた値に、前記基板に設
けられたコンタクトホールのアスペクト比を掛け合わせ
て得られる値である算出距離以上の大きさになるように
制御してスパッタリングを行うことを特徴とし、請求項
２記載の発明は、請求項１記載の薄膜製造方法におい
て、前記スパッタリング距離を、前記スパッタリング圧
力の下での平均自由行程以下の大きさにしたことを特徴
とし、請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記
載の薄膜製造方法で薄膜が成膜された基板を加熱し、前
記薄膜のリフローイングを行うことを特徴とし、請求項
４記載の発明は、請求項１乃至請求項３記載の薄膜製造
方法であって、前記コンタクトホールに予めバリアメタ
ル薄膜を成膜しておくことを特徴とする。

【００２３】

【作用】真空槽内に配線材料から成るターゲットと、表
面にコンタクトホールが設けられた基板とを対向させて
略平行に配置し、前記真空槽内にスパッタリングガスを
導入し、真空槽内のガスの圧力であるスパッタガス圧力
を所定の値に保持して前記スパッタリングガスで前記タ
ーゲットをスパッタしてターゲット粒子を叩き出せば、
前記基板上に到達したターゲット粒子がそこに付着し、
堆積するので、スパッタリングの際に導入するスパッタ
リングガスに適当なものを選んだり、化学的に不活性な
スパッタリングガスに反応性のガスを添加する等によ
り、所望の組成から成る薄膜を製造することができる。

【００２４】しかしながら、高アスペクト比の薄膜を製
造しようとする場合には、ターゲット粒子がコンタクト
ホール内壁に付着してしまうため、ボトムカバレッジが
悪化したり、コンタクトホール開口部周辺にオーバーハ
ングを生じる等の不都合が著しくなる。

【００２５】このような不都合を図９を用いて説明す
る。図９(ａ)を参照し、ターゲット１０８から叩き出さ
れたターゲット粒子が、基板１０１に入射するときの入
射角をωxとする。

【００２６】図９(ａ)に示したように、ターゲット１０
８からターゲット粒子がスパッタリングされて叩き出さ
れ得る有効半径内の領域の最外周の点Ｑ₀から、所望特
性を有する素子が得られる基板の有効半径内の領域の最
外周にあるコンタクトホールであって、前記点Ｑ₀と
は、基板及びターゲットの中心軸線を挟んで対称の位置
にあるコンタクトホールＱ₁に入射する場合がターゲッ
ト粒子が最も斜め方向からコンタクトホール内に飛び込
むことになり、そのときの前記入射角ωxを最大入射角
ω₀とすると、 ω₀ ≧ ωx …… (１) なる関係が成立する。

【００２７】そして、この最大入射角ω₀で入射してく
るターゲット粒子が、前記コンタクトホール１１１の穴
径ａ及びその深さｂとの比で決まるアスペクト比(アス
ペクトレシオ) ｂ／ａ との間に、 ｂ／ａ ＞ ｔａｎ(ω₀) …… (２） なる関係がある場合には、前記ターゲット粒子が前記コ
ンタクトホール１１１内に入射すると、図９（ｂ)のよ
うに、該コンタクトホール１１１の側壁１１２に付着し
てしまう。

【００２８】そこで、前記(２)式の逆の関係、即ち、 ｂ／ａ ≦ ｔａｎ(ω₀) …… (３) なる関係が成立するようにすれば、前記コンタクトホー
ル１１１内に入射するターゲット粒子を底面１１３に堆
積させることができることになる。

【００２９】ところで、前記基板有効直径Ｓの最外周に
位置するコンタクトホールに関して、上式が成立するた
めには、ターゲット有効直径をＴとし、互いに略平行に
配置されたターゲットと基板との間の間隔であるスパッ
タリング距離をＬxとして、該Ｌxを、 Ｌx ＞ ｛(Ｔ／２) ＋ (Ｓ／２)｝・ｂ／ａ …… (４) なる関係に保つようにしてスパッタリングを行えばよ
い。即ち、前記ターゲットの有効半径(Ｔ／２)と前記基
板の有効半径(Ｓ／２)とを加えた値に、前記基板に設け
られたコンタクトホールのアスペクト比ｂ／ａを掛け合
わせて得られる値を算出距離とし、スパッタリング距離
Ｌxを、前記算出距離以上の大きさになるように制御し
てスパッタリングを行えば、前記コンタクトホール側壁
に付着するターゲット粒子を減少させることができるの
で、ボトムカバレッジのよい薄膜を製造することができ
る。

【００３０】また、前記ターゲット１０８から叩き出さ
れたターゲット粒子が、スパッタガスを構成する分子と
衝突すると、衝突したターゲット粒子は散乱されるの
で、ターゲット粒子の飛行方向が変わってしまう。従っ
て、前記基板１０１に入射する方向に飛来してきたター
ゲット粒子が散乱されると基板１０１に入射しないよう
な場合が生じたり、ターゲット１０８から垂直に叩き出
されたターゲット粒子が斜め方向から基板１０１に入射
してしまったりする。

【００３１】このような衝突が起こるまでにターゲット
粒子が飛行し得る距離を統計的に平均したものは、平均
自由行程λと呼ばれており、真空槽内部に存するガスの
圧力、即ちスパッタリング圧力ｐ(Torr)との間で、次の
関係が成り立つことが知られている。

【００３２】 λ 〜 １０^ー1／ｐ (mm) …… (５) この平均自由行程λは、スパッタリング圧力を ５×１
０^-1Ｐａ以上に設定する従来のスパッタリング装置で
は、５cm程度の値となり、この値は従来のスパッタリン
グ装置におけるターゲットと基板との間のスパッタリン
グ距離にほぼ等しい。従って、真空槽内を飛行するター
ゲット粒子は、スパッタガス分子と一回衝突するしかな
いかのうちに基板に到達できていた。

【００３３】しかしながら、成膜速度を向上させるた
め、スパッタリング圧力を上昇させると、平均自由行程
λは小さくなり、その値がスパッタリング距離より小さ
くなると、ターゲット粒子は多数回散乱されてしまうた
め、基板に到達できないものの量が増し、スパッタリン
グレート(成膜速度)が低下してしまう。

【００３４】そこで、スパッタリング距離をスパッタリ
ング圧力下でのターゲット粒子の平均自由行程よりも短
くなるように制御すれば、ターゲット粒子が散乱される
ことがなくなるので、かかる不都合を回避することがで
きる。

【００３５】なお、さらに基板電極に高周波バイアス電
圧を印加する高周波バイアス電源を設ければ、バイアス
電圧を印加することによってボトムカバレッを向上させ
ることが可能である。

【００３６】

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。

【００３７】図１０に、本発明に使用できるスパッタリ
ング装置の一例を示す。図１０を参照し、２００はスパ
ッタリング装置であり、真空槽２０５、スパッタガス導
入口２０６、及び真空排気口２０７を備えており、前記
真空槽２０５内には、チタン(Ｔｉ)金属で構成されるタ
ーゲット電極２０９と、基板２１０の装着される基板ホ
ルダ２１１とが対向して配置されている。

【００３８】前記ターゲット電極２０９は、高周波フィ
ルタ２１２を介して直流電源２１３の一方の電極に接続
されており、該直流電源２１３の他方の電極は前記真空
槽２０５に接続されている。

【００３９】前記ターゲット電極２０９はまた、整合回
路２１４を介して高周波電源２１５の一方の電極に接続
されており、該高周波電源２１５の他方の電極は、前記
ターゲット電極２０９と同様に、前記真空槽２０５に接
続されている。

【００４０】なお、前記ターゲット電極２０９の裏面に
は、マグネトロンスパッタを行えるように、磁石２１６
が配置されている。

【００４１】前記ターゲット電極２０９には、直径２５
０mmの大きさのターゲット２０８が配置されており、一
方、前記基板ホルダ２１１は最大２００ｍｍ程度の寸法
の基板が装着可能に構成されており、該基板ホルダ２１
１には直径１５０mmの基板が前記ターゲット２０８と略
平行に配置されている。

【００４２】このスパッタリング装置２００では、前記
ターゲット２０８と前記基板２１０との距離(スパッタ
リング距離)は、使用可能な基板の最大直径よりも大き
な値である３００mm乃至１０００mmに設定できるように
構成されている。

【００４３】前記真空槽２０１内は真空排気口７を介し
て真空ポンプ（図示していない）が接続され、該真空槽
２１０内を真空状態とした後、スパッタガス導入口６か
らアルゴンガスを導入できるように構成されており、前
記図示しない真空ポンプの排気速度と前記スパッタガス
導入口から導入されるアルゴンガス流量とを調整すれ
ば、スパッタリングの際の前記真空槽２０１内の圧力で
あるスパッタリング圧力を所望の圧力に保持することが
可能である。

【００４４】このスパッタリング装置２００を用いた本
発明の実施例(第１実施例)について説明する。本第１実
施例では、前記真空槽２０５内にアルゴンガスをスパッ
タガスとして導入し、該真空槽２０５内の圧力が２×１
０^-2から５×１０^-2Ｐａ台の状態に安定した後、前記直
流電源２１３と前記高周波電源２１５を起動させた。

【００４５】前記ターゲット電極２０９には、前記直流
電源２１３から約−４００Ｖの直流負電圧(負電圧)を印
加したところ、スパッタリングによる成膜の際には、約
１０Ａのスパッタ電流が流れたのが認められた。また、
前記ターゲット電極２０９には、高周波電源２１５か
ら、１．５ｋＷの高周波電力を、１００ＭＨｚの周波数
で印加した。

【００４６】このように、前記直流電源２１３と前記高
周波電源２１５により、高周波一直流結合バイアスによ
ってマグネトロン放電を発生せしめ、これによりスパッ
タガスをイオン化すると、前記イオン化されたスパッタ
ガスは前記ターゲット２０８に印加されている負電圧で
加速され、前記ターゲット２０８に入射するので、該タ
ーゲット２０８表面をスパッタすると、前記ターゲット
２０８表面からはターゲット粒子が叩き出される(いわ
ゆる高周波スパッタリング)。

【００４７】前記ターゲット粒子は余弦則によって種々
の方向へ飛行するが、それらのうちで前記基板２１０へ
向かい、前記基板２１０上に到達したものが付着し、堆
積すると薄膜が形成される。

【００４８】ところで一般に、前記ターゲット２０８と
前記基板２１０とは中心軸線が一致するように配置され
るので、前記スパッタリング距離２１７が１００mmにな
るように設定した場合には、前記ターゲット２０８の有
効直径と前記基板２１０の有効直径とを実寸法と等しく
見積もると、前記最大入射角ω₀は約１１．３degとな
る。

【００４９】ところで、平均自由行程λとスパッタリン
グ圧力ｐとの間には、(５)式を再掲すると、 λ 〜 １０^ー1／ｐ (mm) ……再掲(５) なる関係があり、スパッタリング距離が一定の時は、ス
パッタリング圧力ｐが高い程ターゲット粒子の平均自由
行程λは短くなる。従って、散乱現象が多発して、スパ
ッタリングレートが低下する他、ボトムカバレッジが悪
化するという不都合がある。

【００５０】一方、スパッタガスの圧力を１×１０^-2Ｐ
ａ前後にした場合には、前記真空槽２０５内を飛行する
ターゲット粒子の平均自由行程λは、前記スパッタリン
グ距離２１７よりも十分に長くなり、前記ターゲット粒
子がスパッタガス分子と衝突する確率も低くなるので、
散乱されることもなく、その結果、ほぼ垂直にターゲッ
トから叩き出されたターゲット粒子はそのまま前記基板
２１０に入射する。

【００５１】このように、低圧力下でスパッタリングを
行う場合は、前記基板２１０に設けられたコンタクトホ
ール等の穴や溝の開口付近に堆積するターゲット粒子の
量は減少し、コンタクトホール底部に堆積する薄膜の膜
厚は、基板表面上に堆積する薄膜の膜厚とほぼ同じ厚さ
にすることができる。

【００５２】なお、この実施例において、スパッタリン
グガスをアルゴンガスから窒素ガス(Ｎ₂)に替えれば、
ＴｉＮ薄膜を成膜することができる。

【００５３】また、前記ターゲット２０８をチタン金属
からアルミ(Ａｌ)金属や、シリコン(Ｓｉ)が添加された
アルミ金属等の配線金属に替えることも可能であり、そ
の場合も図１３(ａ)のように、基板２５１₁上のコンタ
クトホール２５２₁底面にボトムカバレッジのよい薄膜
を成膜することがでる。そして、このような低融点の配
線材料をボトムカバレッジよく成膜した場合には、リフ
ローイングを行ってもコンタクトホール底面の薄膜が基
板表面上の薄膜に吸い取られることはなく、図１３(ｂ)
で示すように基板２５１₂のコンタクトホール２５３内
に配線材料を十分に充填することができる。

【００５４】なお、従来のスパッタリング装置のスパッ
タリング圧力は３×１０^-1Ｐａ程度であるので、この条
件下でのスパッタリングと、本実施例のようにスパッタ
リング圧力を３×１０^-2Ｐａとしてボトムカバレッジを
向上させた場合とで、前記スパッタリング距離２１７と
成膜速度との関係の比較を下記の表で例示する。

【００５５】

【表１】

【００５６】この表に示されるように、スパッタリング
距離２１７が７７mmの時に、１×１０^ー1Ｐａと３×１０
^-2Ｐａの圧力の間で成膜速度に大差はないが、これは、
その圧力での平均自由行程がスパッタリング距離と同程
度の大きさだからである。

【００５７】一方、前記スパッタリング距離２１７がそ
れ以上大きくなると、両圧力での成膜速度に差が見られ
るようになり、例えばスパッタリング距離２１７が３０
０mmの時は、成膜速度に差が見られている。

【００５８】このように、スパッタリング圧力を低く設
定することにより、ターゲット粒子の散乱によるスパッ
タリング速度の低下を防止でき、また、散乱により、基
板に対して斜めに入射するターゲット粒子を低減するこ
とができる。従って、成膜速度を大きくすることができ
るばかりでなく、ボトムカバレッジの向上も図れること
になる。

【００５９】図１１は本発明の実施に使用できる他のス
パッタリング装置の例であり、図１０のスパッタリング
装置に対応した部分は図１０と同じ符号で示してある。
このスパッタリング装置２２０では、基板２１０の表面
と、そこに設けられたコンタクトホール等の穴やトレン
チ内に堆積した薄膜をリフローイングさせ、完全に充填
されるように、基板ホルダ２１１に基板加熱用のヒータ
２２１が組み込まれており、このヒータ２２１は外部ヒ
ータ電源２２２から電力を供給されるように構成されて
いる。従って、本スパッタリング装置２２０によれば、
スパッタリング装置の他に、拡散炉等の加熱装置を使用
することなくリフローイングを行うことができ、これに
より、基板を大気雰囲気に曝すことなく、リフローイン
グを行うことができる。

【００６０】図１２は、本発明に用いることができる、
更に別のスパッタリング装置を示したものであり、図１
０のスパッタリング装置に対応した部分は、図１０と同
じ符号をもって示してある。このスパッタリング装置２
４０では、基板２１０が配置された基板ホルダ２１１
に、整合回路２３１を介して高周波バイアス電源２３２
が接続され、前記基板ホルダ２１１に印加される高周波
電圧により、基板２１０に設けられたコンタクトホール
等の穴や溝の中に配線材料等を充填できるように構成さ
れている。

【００６１】なお、これらスパッタリング装置２２０、
２４０に設けられた前記ターゲット２０８は、前記スパ
ッタリング装置２００と同様に、直径が２５０mmの大き
さであり、前記基板ホルダ２１１は、最大で直径２００
mm程度の寸法の基板が装着可能に構成されている。

【００６２】なお、図１０、図１１、図１２のスパッタ
リング装置は、いずれもＲＦ−ＤＣ結合バイアススパッ
タリング方式を用いているが、本発明はこの方式による
スパッタリング装置に限定されるものではなく、１×１
０^-1Ｐａ以下の真空雰囲気中で放電が安定的に維持でき
る種々の方式を用いたスパッタリング装置を使用するこ
とが可能である。

【００６３】次に、本発明の他の実施例(第２実施例)
を、図１の工程図を用いて説明する。図１(ａ)を参照
し、１は直径が２００ｍｍ(８インチ)の基板であり、シ
リコン(Ｓｉ)単結晶ウェハー２上に絶縁材料であるシリ
コン酸化膜(ＳｉＯ₂)４が成膜され、その表面から前記
シリコン単結晶ウェハー２に達する深さまでコンタクト
ホール３が開けられている。

【００６４】直径が３００ｍｍのチタンターゲットと、
アルゴンのスパッタガスを使用して前記基板１の表面に
チタン薄膜を全面成膜した。次いで、同じターゲット
で、窒素ガス(Ｎ₂)のスパッタリングガスを使用し、窒
化チタン(ＴｉＮ)を全面成膜し、チタン薄膜と窒化チタ
ン薄膜との２層薄膜から成るバリアメタル薄膜５₁、５₂
を形成した。なお、本実施例ではマグネトロンスパッタ
を行っており、このマグネトロンスパッタでは、ターゲ
ット表面のうち、主として電子が磁場で閉じこめられた
部分からターゲット粒子が飛び出すので、ターゲットの
有効使用領域はその直径３００ｍｍよりも狭くなり、有
効直径は２６０mmであった。

【００６５】このときの成膜条件は、次の表に記載した
通りである。なお、チタンターゲットを、窒素ガスとア
ルゴンガスとを混同したスパッタリングガスを用いてス
パッタリングした場合でも、表２と同様に窒化チタンの
薄膜が得られる。

【００６６】

【表２】

【００６７】ところで、このバリアメタル薄膜は、密着
性向上の目的の他、後から成膜する配線材料が直接シリ
コン単結晶に接触し、その部分で化学反応が発生するの
を防止するために形成するものであり、該バリアメタル
薄膜で前記コンタクトホール３を充填するものではな
い。即ち、前記コンタクトホール３の底面６にバリアメ
タル薄膜５₂がある程度の膜厚で付着していればよいと
言える。

【００６８】従って、配線材料から成る薄膜のように厚
く成膜する必要がないため、バリアメタルの成膜には、
例えばコリメータスパッタリング方法等、オーバーハン
グを生じない成膜方法であれば、種々の成膜方法を広く
適用することができる。

【００６９】なお、コリメータスパッタリング方法によ
り成膜した場合でも、コリメータに付着する不要な薄膜
の量は少ないので、アルミを成膜する場合に比べてダス
トの発生等の不都合は少ない。

【００７０】前記バリアメタル薄膜を成膜した後、大気
に曝して基板を冷却した。そして、３５０℃に加熱して
６０秒間の脱ガスを行い、２０秒間放置して２００℃ま
で冷却した。なお、大気に曝した後、窒素ガス雰囲気
下、６００℃でアニールしてもよい。

【００７１】その後、図１(ｂ)に示すように、前記バリ
アメタル薄膜５上に、配線材料であるシリコン・銅添加
アルミ(シリコン１.０％・銅０.５％添加)から成るター
ゲットを使用して、該配線材料の薄膜７を全面成膜し
た。

【００７２】前記基板１に設けられたコンタクトホール
３の深さをＢ(μm)、開口部をＡ(μm)とすると、アルペ
クト比Ｒは、 Ｒ ＝ Ｂ／Ａ …… (６) で表される。ここで、図２(ａ)のように、コンタクトホ
ール３の底面周辺の一点と、開口部の周辺の一点とを結
ぶ線分が底面と成す角度のうち、最も大きいものをθと
すと、上式より、 ｔａｎ(θ) ＝ Ｂ／Ａ ＝ Ｒ …… (７) 前記コンタクトホール３は、前記基板１の全面に設けら
れているが、一般に、基板周辺部分に作製される半導体
素子は正常に動作しないため、周辺部分に位置するコン
タクトホール内を配線材料で完全に充填する必要はな
い。従って、基板の周辺部を除いた領域内に存するコン
タクトホールに配線材料が充填されればよく、図２(ｂ)
のように、有効領域の直径を基板有効直径Ｓとすると、
該基板有効直径Ｓは、基板の実寸法の直径Ｓ₀に対し、 Ｓ ≦ Ｓ₀ …… (８） となる。

【００７３】また、ターゲットについても、その周辺部
分の使用効率は低いため、周辺部分を除いた有効領域か
ら飛来するターゲット粒子が基板上に薄膜を堆積すると
してよく、その有効領域の直径をターゲット有効直径Ｔ
とすると、ターゲットの直径Ｔ_０に対し、 Ｔ ≦ Ｔ₀ …… (９) となる。

【００７４】ここで、図２(ｃ)のように、前記ターゲッ
ト１０と前記基板１とが、それらの中心軸線が一致する
ように配置されているものとし、前記基板有効直径Ｓ上
の点と前記中心軸線２１上の一点とを通る直線のうち、
前記基板１との成す角度が、(７)式で記述されたθとな
るものを直線２２とする。

【００７５】前記基板１を固定し、前記ターゲットを上
下移動させてスパッタリング距離を変化させた場合にお
いて、前記直線２２が、前記ターゲット有効直径Ｔ上の
点Ｐ₁を通ったときのスパッタリング距離を算出距離Ｌ₀
とすると、該算出距離Ｌ₀と、ターゲット有効直径Ｔ、
基板有効直径Ｓ、角度θとの間には次式が成立する。

【００７６】 Ｌ₀ ＝ (Ｔ／２)・ｔａｎ(θ) ＋ (Ｓ／２)・ｔａｎ(θ) ……(１０) 上式は(７)式を用いて次のように書き換えられる、 Ｌ₀ ＝ ｛(Ｔ／２)＋(Ｓ／２)｝・Ｒ ……(１１) 前記スパッタリング距離Ｌを変化させた場合、該スパッ
タリング距離Ｌが、前記Ｌ₀よりも大きいときは、前記
点Ｐ₁から叩き出されたターゲット粒子は前記コンタク
トホール３の底面に到達できる。一方、前記スパッタリ
ング距離Ｌが前記Ｌ₀よりも小さくなった場合は、前記
コンタクトホールの内壁に付着してしまう。即ち、ボト
ムカバレッジのよい薄膜を成膜するためには、スパッタ
リング距離Ｌは次式の範囲になければならない。

【００７７】 Ｌ ≧ ｛(Ｔ／２)＋(Ｓ／２)｝・Ｒ ……(１２) このように、スパッタリング距離Ｌを、前記ターゲット
の有効半径 (Ｔ／２)と前記基板の有効半径 (Ｓ／２)
とを加えた値 ｛(Ｔ／２)＋(Ｓ／２)｝ に、前記基板に
設けられたコンタクトホール３のアスペクト比 Ｒ を掛
け合わせて得られる値である算出距離Ｌ₀以上の大きさ
になるように制御してスパッタリングを行えば、ボトム
カバレッジのよい薄膜を成膜することができる。

【００７８】上記(１２)式が成立するようにしてスパッ
タリングを行ったときの、シリコン・銅添加アルミ薄膜
の成膜条件、成膜結果を次表にまとめて記す。

【００７９】

【表３】

【００８０】次に、基板ホルダーに設けられた加熱装置
により、前記シリコン・銅添加アルミ薄膜が成膜された
基板１を４４０℃から５３０℃の範囲で加熱してリフロ
ーイングを行ったところ、図１(ｃ)に示すように、前記
コンタクトホール３内は、配線材料の薄膜７で充填さ
れ、ボイドは観察されなかった。

【００８１】なお、本第２の実施例では、前記バリアメ
タル薄膜にＴｉ／ＴｉＮの２層膜を用いたが、Ｔｉ、Ｔ
ｉＮ、ＴｉＷ、ＭｏＳｉ、または、ＷＳｉの単層の薄膜
や、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｔｉの３層薄膜等、シリコンと反応
せず、且つ密着性のよいものが広く使用可能である。

【００８２】なお、本発明を使用してチタン薄膜を成膜
した場合のボトムカバレッジの実測値を図面を用いて説
明する。

【００８３】図３(ａ)は、ターゲット有効半径が１３０
mm、基板有効半径が１００mmのものを用いてチタン薄膜
を成膜したときの基板に設けられたコンタクトホールの
アスペクト比 Ｒ と、基板中心に位置するコンタクトホ
ールのボトムカバレッジを示す。なお、図３(ｂ)のよう
に、前記ボトムカバッレッジ Ｖ は、基板表面上の薄膜
(チタン薄膜)の膜厚 Ｆ と、コンタクトホール底面の膜
厚 Ｅ とから、 Ｖ ＝ Ｅ／Ｆ ……(１２) なる式で表すこととする。

【００８４】図３(ａ)で、横軸はコンタクトホールのア
スペクト比Ｒであり、縦軸はボトムカバレッジＶであ
る。

【００８５】(◇)のプロットを結んだ線分３１と(○)の
プロットを結んだ線分３２は、アスペクト比Ｒとボトム
カバレッジＶとの関係を示すものであり、それぞれ従来
技術によるスパッタと、コリメータスパッタリング方法
によるスパッタとで成膜したチタン薄膜のものである。
どちらの場合も、スパッタリング圧力を１×１０^-1Ｐ
ａ、スパッタリング距離を５０mmとした条件で成膜し
た。

【００８６】(□)のプロットで結んだ線分は、スパッタ
リング圧力を１×１０^-2Ｐａ(平均自由行程は約１３３
０mm)、スパッタリング距離を３００mmとしてスパッタ
リングを行ったものである。

【００８７】なお、本測定値は、基板中心に位置するコ
ンタクトホールを使用して実測しているため、これを基
板有効直径上のコンタクトホールに適用した場合に換算
すると、アスペクト比が２．０以下の測定値が、本発明
を適用した場合に得られるボトムカバレッジＶの値に相
当する。

【００８８】次に、スパッタリング距離Ｌ(横軸)とスパ
ッタリング速度(縦軸)との関係を図４に示す。この図
は、チタン薄膜を３．３×１０^-2Ｐａ(平均自由行程は
約４００mm)のスパッタリング圧力の下で成膜した場合
の実験値であり、スパッタリング距離Ｌが大きくなる
と、成膜速度が低下することが分かる。また、図３の測
定で使用したものと同じ基板とターゲットを使用して、
３．３×１０^ー2Ｐａのスパッタリング圧力の下で成膜す
る場合において、スパッタリング距離Ｌ(横軸)を変化さ
せて、該スパッタリング距離ＬとボトムカバレッジＶ
(縦軸)との関係を測定した。これを図５で示す。(黒丸
●)、(黒四角■)、(黒三角)、(黒逆三角)の各プロット
を結んだ線分は、それぞれ、３．３、 ２．５、 １．６
７、 １．２５の各アスペクト比を持つコンタクトホー
ルについてボトムカバレッジＶを測定したものである。

【００８９】図６は、本発明の実施に最適なスパッタリ
ング装置の一例を示す図である。このスパッタリング装
置８０は、真空槽８２内に配線材料から成るターゲット
８３と、表面にコンタクトホールが設けられた基板８７
とを対向して略平行に配置できるように基板ホルダー８
５が設けられており、前記真空槽８２内に、図示しない
導入口からスパッタリングガスを導入し、前記ターゲッ
ト８３をスパッタしてターゲット粒子を叩き出し、前記
基板ホルダー８５上に配置された基板８７の表面に前記
ターゲット粒子を堆積させて薄膜を製造する装置であ
る。

【００９０】前記基板ホルダー８５は、昇降軸８６の先
端に上下移動自在に取付けられており、該昇降軸８６は
ベローズカップリング８１を介してシリンダー８８に気
密に取付けられており、前記シリンダー８８の動作によ
り、前記昇降軸８６が上下移動するので、前記基板８７
と前記ターゲット８３との間のスパッタリング距離Ｌの
大きさは、前記昇降軸８８の移動量を制御すれば、自由
に設定することが可能である。

【００９１】前記シリンダー８８は、駆動回路８９を介
してＣＰＵ９０に接続されており、成膜を行う者が該Ｃ
ＰＵ９０に接続された入力装置であるキーボード９１を
使用し、表示装置であるディスプレイ９２で確認しなが
ら、スパッタリング圧力ｐ、前記基板８７上のコンタク
トホールのアスペクト比Ｒ、使用する基板の有効直径Ｓ
の値を入力すれば、これら入力された値と、予め記憶装
置９３に記憶されているターゲット有効直径Ｔの値とか
ら、前記ＣＰＵ９０が、前記ターゲット８３の有効半径
と前記基板８７の有効半径とを加えた値に前記アスペク
ト比を掛け合わせて算出距離Ｌ₀を求め、また、前記入
力された値と予め記憶されている平均自由行程の計算式
から平均自由行程λを求め、前記スパッタリング距離Ｌ
が、この平均自由行程λ以下の大きさであって、且つ、
前記算出距離Ｌ₀以上の大きさになるように信号を出力
して前記シリンダー８８を制御する。

【００９２】なお、前記記憶装置９３内に、使用ターゲ
ットの材質、スパッタリング圧力、スパッタリング距離
等の値に応じて成膜速度を調節して最適な膜質が得られ
るように、一定の計算式を記憶させておけば、その計算
式に基づいて、自動的に前記スパッタリング距離Ｌを最
適膜質が得られるように設定することができる。本実施
例ではターゲット及び基板を円形として説明したが、楕
円等円形以外の形でもよく、その場合は、有効領域内で
中心軸線から最も離れた点と該中心軸線との間の距離が
有効半径(Ｔ／２)、(Ｓ／２)に相当する。

【００９３】なお、前記スパッタリング距離を基板直径
より大きく設定しておき、スパッタリング時の真空槽内
の圧力を１×１０^-1としておけば、ターゲットから飛び
出したターゲット粒子が基板に対して垂直に近い角度で
入射する確率は増大し、また、ターゲット粒子とスパッ
タリングガス分子とが衝突する確率が無視できる程度ま
で平均自由行程が長くなるので、実使用上、ある程度の
ボトムカバレッジの向上が期待できる。

【００９４】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、ターゲットから叩き出されたターゲット粒子は基板
に対して垂直に近い角度で入射するので、基板上の微細
なコンタクトホール等の穴や溝の開口付近への堆積は減
少され、オーバーハング量を小さくすることができ、薄
膜をリフローイングした場合にコンタクトホール内でボ
イドが発生することがない。

【００９５】また、コリメータを使用しないので不要な
薄膜が形成されることはなく、特に、膜厚の厚い薄膜を
成膜する場合でもダストやパーティクル等は発生しない
ので、歩留まりのよい成膜作業を行うことができ、メン
テナンスも容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第３実施例の工程を示す図

【図２】 本発明の原理を説明するための図

【図３】 チタン薄膜を成膜した場合のアスペクト比と
基板中心付近のコンタクトホールのボトムカバレッジの
関係を実測したグラフ

【図４】 スパッタリング距離とスパッタリング速度の
関係を実測した一例を示す図

【図５】 スパッタリング距離とボトムカバレッジの関
係を実測した一例を示す図

【図６】 本発明の実施に最適なスパッタリング装置の
一例

【図７】 コンタクトホール内に金属薄膜を形成する状
態を説明した図

【図８】 コリメータスパッタリング方法を説明するた
めの図

【図９】 従来技術によるスパッタリングの不具合を示
す図

【図１０】 本発明の実施に使用できるスパッタリング
装置の一例

【図１１】 本発明の実施に使用できるスパッタリング
装置の他の例

【図１２】 本発明の実施に使用できるスパッタリング
装置の更に他の例

【図１３】 本発明の第２実施例により成膜された薄膜
の断面図

【符号の説明】

１、８７、２１０……基板 ２……シリコン基板 ３……コンタクトホール ５……バリアメタル薄膜 ７……シリコン・銅添
加アルミ薄膜 １０、８３、２０８……ターゲット ８２、２０５
……真空槽 Ｌ……スパッタリング距離 Ｔ……ターゲットの有効
直径 Ｓ……基板の有効直径 Ｒ……アスペクト比

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空槽内に配線材料から成るターゲット
   と、表面にコンタクトホールが設けられた基板とを対向
   させて略平行に配置し、 前記真空槽内にスパッタリングガスを導入して所定のス
   パッタリング圧力を保持し、 前記スパッタリングガスで前記ターゲットをスパッタし
   てターゲット粒子を叩き出し、 前記基板上に前記ターゲット粒子を堆積させて薄膜を製
   造する薄膜製造方法であって、 前記ターゲットと前記基板の間の間隔であるスパッタリ
   ング距離を、前記ターゲットの有効半径と前記基板の有
   効半径とを加えた値に、前記基板に設けられたコンタク
   トホールのアスペクト比を掛け合わせて得られる値であ
   る算出距離以上の大きさになるように制御してスパッタ
   リングを行うことを特徴とする薄膜製造方法。
2. 【請求項２】前記スパッタリング距離を、前記スパッタ
   リング圧力の下での平均自由行程以下の大きさにしたこ
   とを特徴とする請求項１記載の薄膜製造方法。
3. 【請求項３】請求項１又は請求項２記載の薄膜製造方法
   で薄膜が成膜された基板を加熱し、前記薄膜のリフロー
   イングを行うことを特徴とする薄膜製造方法。
4. 【請求項４】前記コンタクトホールに予めバリアメタル
   薄膜を成膜しておくことを特徴とする請求項１乃至請求
   項３記載の薄膜製造方法。