JPH0750705B2

JPH0750705B2 - 薄膜製造装置およびそれによる金属配線の製法

Info

Publication number: JPH0750705B2
Application number: JP62197480A
Authority: JP
Inventors: 憲雅永田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1987-08-06
Filing date: 1987-08-06
Publication date: 1995-05-31
Anticipated expiration: 2010-05-31
Also published as: JPS6441239A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、半導体ウエーハ上に金属配線薄膜を成長させ
るクラスタイオンビーム法による薄膜製造装置と、同装
置を利用した微細金属配線の製法に関する。

〔従来の技術〕

近年、半導体装置のパターンが微細化するにつれ、半導
体装置内の微細金属配線用薄膜を形成する方法の開発が
強く求められている。金属配線に対する要求といては段
差部における被覆性が良いこと、幅線幅が狭くなって
も、配線断面が末広がりの形状にならないことなどであ
る。

段差部の被覆性の向上のために、近年は真空蒸着法に代
り、マグネトロンスパッタ法が広く用いられるようにな
った。マグネトロンスパッタ法による薄膜の形成は、ア
ルゴンなどの不活性ガスを真空容器内に導入し、マグネ
トロン放電により不活性ガスイオンを生成し、このイオ
ンをターゲットに衝突させその衝突によりターゲット材
料をスパッタし、半導体基板上に被着させるもので蒸着
法などに比べ、段差部の被覆性が良い。また、配線断面
の形状の改善も、ホトレジスト工程を改良し、解像度の
高いホトレジストパターンを得ようとする工夫が種々な
されている。またRIE法などのドライエッチング法の改
良も検討されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上述した従来の微細金属配線用薄膜の形成は今
後のパターンの一層の微細化に対し、不充分である。第
５図は、直径１μｍ程度のコンタクトホールにアルミニ
ウム膜を成長させたときの断面図を示したもので、半導
体基板14上に形成した層間絶縁膜15のコンタクトホール
を含めてマグネトロンスパッタ法でアルミニウム膜16を
スパッタして成長させている。コンタクトホール側壁の
被覆性は、コンタクトホールのアスペクト比（コンタク
トホール段差部の高さ／コンタクトホール直径）が大き
くなるほど悪くなり、直径1.2〜1.3μm,アスペクト比0.
8〜0.9の場合にb/aが0.4〜0.5程度である。そのため、
今後更にコンタクトホールのアルペクト比が大きくなる
と、マグネトロンスパッタ法でも段差部での金属配線の
断線や種々の信頼性上の問題が発生する。

次に、金属配線用薄膜を成長した後にホトレジストでマ
スクパターンを形成し、ドライエッチング法で金属配線
を形成する場合、現状では配線幅が狭くなるにつれ、配
線パターンのだれが無視できなくなる。第６図に、配線
幅が１μｍ以下になった時の、ドライエッチング後のア
ルミニウム配線19の断面図を示す。配線断面積は、半導
体装置の配線寿命に影響するため、第６図に示した様な
末広がりの断面形状の場合、点線で示した様な理想的な
断面形状と同様の断面積を持たせるには、最大配線幅ｄ
が大きくなり、パターンの微細化の妨げとなる。

物理蒸着法では、真空蒸着・スパッタ蒸着・イオン蒸着
とあり、現在では前２者が既に半導体装置の製造にあた
り定着している。しかし、イオン蒸着による薄膜製造
は、まだ実用化していない。イオン蒸着は蒸発粒子の一
部または全部をイオン化して加速し、半導体基板上に照
射するものである。特にクラスタイオンビームは、500
〜2000個の原子状イオンを用いるので、成長が早くまた
段差部の被覆性が良いことが期待される。ただし、これ
まで周知のクラスタイオンビームを用いた薄膜製造装置
は第４図に示すように、クラスタイオンビームを単に加
速して、ホルダ12に載置した半導体基板９に照射してい
るだけであり、段差部の被覆性も、極微細なパターンに
対しては不充分であった。

本発明の目的は、上記の事情に鑑み、クラスタイオンビ
ームを用いる薄膜製造装置として、局部的に薄膜を形成
できる新規な装置を提供するとともに、この装置を利用
し微細な金属配線を形成する製法を提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の薄膜製造装置は、クラスタイオンビーム発生部
と，クラスタイオンビームを集束する集束レンズと，集
束されたクラスタイオンビームを偏向走査する偏向電極
部とを有し、集束されたクラスタイオンビームにより半
導体基板の所定の部位に局部的に薄膜を形成するもので
ある。

上記薄膜製造装置（以下、本装置という）において生ず
る細いビームスポットを利用して、段差部のある金属配
線、理想的断面形状を有する金属配線を形成することが
できる。

すなわち、段差部のある金属配線は、半導体基板上の層
間絶縁膜に開孔部を設け、該開孔部内にクラスタイオン
ビームを集束して、金属配線材を埋込んだ後に、前記金
属配線材を含む層間絶縁膜上に金属配線を形成し、前記
金属配線材とのコンタクトをとることによって完全に被
覆性のよい金属配線を形成することができる。

また、理想的断面形状の配線は、半導体基板上のレジス
トマスクに溝部を設け、該溝部内にクラスタイオンビー
ムを集束して、金属配線材を埋込んだ後に、前記レジス
トマスクを除去することによって得ることができる。

〔作用〕

本装置では、クラスタイオンビームを集束レンズで集束
しているので偏向電極部で、半導体基板の所定の位置に
局部的に照射し、薄膜の局部的成長を可能としている。
また偏向電極部は、電極にかかる印加電圧により走査的
に偏向できるので、半導体基板の全面にわたり、クライ
スタイオンビームを走査することができる。上記の局部
的に成長させた薄膜は、クライスタイオンビームのビー
ムスポット径を層間絶縁膜もしくはレジストマスクに設
けた開孔部もしくは溝部より小さくして照射すれば、前
記開孔もしくは溝内で、イオンは衝突拡散し、正しく孔
もしくは溝の側壁で囲まれた空間内に堆積して成長す
る。このように狭い空間内に金属薄膜を埋込むことがで
きるから、段差のある金属配線の成膜，微細幅の金属配
線の形成に利用することができる。

〔実施例〕

先ず、本発明の装置（本装置）につき、実施例を図面を
参照して説明する。第１図の構造概略図に示すように、
本装置はクラスタイオンビーム発生部100,集束レンズ10
1,偏向電極部102,ビーム入射を適宜遮断するシャッタ板
103,半導体基板９を載置するホルダ104から構成されて
いる。

クラスタイオンビーム発生部100は周知のものであっ
て、第４図と同一のものである。蒸着物質１を入れたる
つぼ２を、るつぼ加熱用電子放出フイラメント３から放
出される熱電子でたたき、るつぼ２を加熱して、数100
〜数1000個の原子の塊であるクラスタビームを発生させ
る。このクラスタビームに、イオン化用電子放出フイラ
メント５からイオン化用電子引き出しグリッド６で引き
出された熱電子を衝突させイオン化し、加速電極７で数
KeVに加速して、クラスタイオンビーム発生部100から、
クラスタイオンビーム８として放出する。

クラスタイオンビーム８は集束レンズ101によってビー
ムのスポット径を１μｍ程度に集束される。集束レンズ
101は例えば四重極子レンズが用いられている。集束さ
れたクラスタイオンビーム８は偏向電極部102によっ
て、ホルダ104に載置した半導体基板９畳を走査する。
シヤッタ板103は、ビーム照射を開始または終了させる
のに用いる。

次に本装置を用いて、微細配線を作成する方法につき説
明する。第１は段差のある金属配線を作成する場合であ
る。第２図の主要工程を示す要部断面図を参照して説明
する。第２図（ａ）に示すように、層間絶縁膜15にコン
タクトホールを開口した後、（ｂ）に示すように集束さ
れたクラスタイオンビーム８をコンタクトホール内に局
部的に照射して、金属配線材でコンタクトホールを埋め
る。この金属配線材が例えばアルミニウムの場合、直径
１μｍ、高さ１μｍのコンタクトホールを埋めるには、
約５×10¹⁰個のアルミニウム原子が必要となるが、約10
00個のアルミニウム原子が集まったクラスタイオンの場
合は、５×10⁷個のクラスタイオンが必要となる。一荷
に電離し、3KeVに加速した場合、このクラスタイオンの
速度は、約５×10⁵cm/secなので、直径0.5μｍのビーム
スポットに集束した場合、ビーム密度が約１×10¹⁶個/c
m³あれば、ビームの走査により１秒間に１×10⁶個のコ
ンタクトホールを埋めることができる。（ｃ）に示すよ
うに、総てのコンタクトホールを埋めた後、通常のマグ
ネトロンスパッタ法等を用いて、金属配線部分になるア
ルミニウム薄膜を形成し、上記埋込み金属配線材とコン
タクトをとる。（ｄ）に示すように、このようにして形
成されるアルミニウム配線20はコンタクトホールの側壁
における被覆性が大幅に改善されている。

金属配線材として、アルミニウムにシリコン又は、銅等
の不純物を含有された物を使用する場合は、質量数の違
いによってアルミニウムと不純物のそれぞれのクラスタ
イオンを同じように走査することが難しいので、クラス
タイオンビームを固定し、ホルダ104を移動すればよ
い。クラスタイオンの大きさがばらつく時も同様にすれ
ばよい。

次に、理想的な断面形状を有する金属配線を、本装置を
用いて形成する方法につき説明する。第３図（ａ）〜
（ｄ）がこの場合の主要工程を示す要部断面図である。
第３図（ａ）に示すように、半導体基板14上の絶縁膜17
上に、ホトレジスト金属配線の反転パターンのレジスト
マスク18を形成する。次に、（ｂ）に示すように、レジ
ストマスク18の溝の部分に集束されたクラスタイオンビ
ーム８を走査しながら照射し、レジストマスク18の谷間
を金属配線材で（ｃ）のように埋め込み、アルミニウム
配線21を形成し、その後レジストマスク18を除去する。
従来、この種の方法は、マグネトロンスパッタ法等など
に対して考えられてきたが、レジストマスク18の溝部分
へ金属配線材を完全に充填することが難しいため、第６
図の点線で示したような理想的な断面形状を得ることは
困難であった。クラスタイオンビーム８を集束して照射
した場合は、ビームスポットの径を配線幅より狭く集束
させれば、クラスタイオンが溝低部に衝突後、クラスタ
イオンの持つ運動エネルギーにより、クラスタイオンを
構成する原子が溝低部に広がり、溝をきれいに埋め込む
ことが可能となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明のクラスタイオンビーム法
による薄膜製造装置は、クラスタイオンビームを小さな
スポット径に集束し、この集束したクラスタイオンビー
ムを半導体基板に局部的に照射し、局部的に薄膜を形成
することができる。この装置を利用して半導体装置の微
細なコンタクトホールを金属配線材で埋め込み、コンタ
クトホール側壁の金属配線薄膜の被覆性を顕著に改善で
きる。また、予めホトレジストで金属配線の反転パター
ンを形成した後に、レジストマスクの開溝部に金属配線
材を埋め込み、その後ホトレジストを除去することによ
り、理想的な断面形状の金属配線が形成できるという優
れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のクラスタイオンビーム装置の一例を示
す構造概略図、第２図（ａ）〜（ｄ）は本発明のクラス
タイオンビーム装置を用いて金属配線を行なった時の主
要工程の要部断面図、第３図（ａ）〜（ｄ）は本発明の
クラスタイオンビーム装置を用いて理想的な断面形状を
有する金属配線を形成する場合の主要工程の要部断面
図、第４図はクラスタイオンビーム装置の従来例を示す
構造概略説図、第５図，第６図は従来方法による金属配
線の形成状態を示す断面図である。 100……クラスタイオンビーム発生部、101……集束レン
ズ、102……偏向電極部、103……シャッタ板、104……
ホルダ、１……蒸着物質、２……るつぼ、３……るつぼ
加熱用電子放出フイラメント、５……イオン化用電子放
出フイラメント、６……イオン化用電子引き出しグリッ
ド、７……加速電極、８……クラスタイオンビーム、9,
14……半導体基板、13……シヤッタ板、15……層間絶縁
膜、17……絶縁膜、18……レジストマスク、20,21……
アルミニウム配線。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】クラスタイオンビーム発生部と、クラスタ
イオンビームを集束する集束レンズと、集束されたクラ
スタイオンビームを偏向走査する偏向電極部とを有し、
半導体基板上に形成すべき薄膜の径もしくは幅より小さ
いクラスタイオンビームを集束し、該集束されたビーム
を基板に直接照射することによって所望の薄膜を前記半
導体基板上に選択的に形成することを特徴とする薄膜製
造装置。
【請求項２】半導体基板上の層間絶縁膜に開口部を設
け、該開口部底面に対し、開口径より小さい径のクラス
タイオンビームを集束して照射することにより開口内に
金属薄膜を埋めこんだ後、前記金属薄膜上を含み、隣接
する層間絶縁上にも金属配線を形成することを特徴とす
る金属配線の製法。
【請求項３】半導体基板上のレジストマスクに溝部を設
け、該溝部底面に対し、溝幅より狭いビーム幅をもつよ
うにクラスタイオンビームを集束して照射することによ
り、溝で規定されるパターン形状の薄膜配線を形成する
ことを特徴とする金属配線の製法。