JPH09181076A

JPH09181076A - 成膜装置

Info

Publication number: JPH09181076A
Application number: JP33894595A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Sudo; 正昭須藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-12-26
Filing date: 1995-12-26
Publication date: 1997-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】この発明は成膜とその膜の平坦化とを１つの
チャンバ内で行えるようにした成膜装置を提供すること
にある。【解決手段】基板１６に成膜するための成膜装置にお
いて、上記基板が設置されるチャンバ１１と、このチャ
ンバに設けられ上記基板に所定の物質を堆積させて成膜
するスパッタ蒸着手段と、上記チャンバに設けられ上記
スパッタ蒸着手段によって形成される膜にイオンビ−ム
Ｉを照射して平坦化するイオン銃２５とを具備したこと
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は半導体装置や磁気
記録素子の製造工程に用いられる成膜装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩの高集積化と高速化に伴い、多層
配線技術はますます重要となりつつある。ＬＳＩにおい
て多層配線を用いる利点として、多層化による配線レイ
アウトの自由度の増大、配線長さの短縮による配線抵抗
の低減などが挙げられる。

【０００３】しかし、超ＬＳＩにおいては素子の加工寸
法がサブミクロン領域となりつつあることから、様々な
問題が招じている。たとえば、サブミクロン配線におい
ては、配線および配線間溝のアスペクト比（パタ−ン高
さとパタ−ン幅の比）が高くなり、従来のＣＶＤ（化学
気相蒸着）法やスパッタを用いた成膜法では必ずしも十
分な段差被覆性が得られなくなる。アスペクト比が高く
なり、表面段差が急峻になると、上層配線の段切れや線
間短絡、あるいは配線パタ−ンの加工精度の劣化などが
生じる。

【０００４】したがって、信頼性の高い多層配線を実現
するためには、膜形成技術と、微細加工技術の両者に生
じる多くの技術課題を克服しなければならない。とく
に、多層配線に用いる層間絶縁膜については、上層配線
に対して下地絶縁膜表面が平坦であることが要求され
る。

【０００５】また、ＬＳＩの高集積化による配線遅延と
いう問題に対しては、配線材料を現在のアルミニウム
（Ａｌ）に変えて銅（Ｃｕ）を用いることが提案されて
いる。Ｃｕはエッチングが困難なことから溝に配線を埋
め込むプロセスが必要になる。このため、層間絶縁膜と
同様に、アスペクト比の高い配線溝への配線膜の埋め込
みとその平坦化が要求されている。

【０００６】一方、情報記録機器の小型化・高密度記録
化に伴い、ハ−ドデイスク装置用の磁気記録素子を小型
化することが要求されている。磁気記録素子の小型化に
おいては、再生用素子上に記録用素子を積層した構造と
するために、再生用素子を形成したあとに、その上を覆
う絶縁膜の平坦性が重要視される。また、記録用素子の
磁極形成においては磁極材料の溝への埋め込みと、その
平坦化が必要になる。

【０００７】上述した半導体装置および磁気記録素子の
絶縁膜や配線、磁極などはＣＶＤ法やスパッタ法で形成
するが、平坦化と溝への埋め込み（溝以外に成膜された
ものを除去する）を行うためにＣＭＰ（化学機械研磨）
法が適用されている。

【０００８】図４に上記ＣＭＰ装置を示す。このＣＭＰ
装置は半導体パタ−ンまたは磁気記録素子パタ−ンが形
成された基板としての半導体ウエハ１がトップリング２
の下面側に保持されている。このトップリング２は駆動
ベルト３を介して上部駆動源４によって図中矢印で示す
方向に回転駆動されるようになっている。

【０００９】トップリング２に保持された半導体ウエハ
１は研磨テ−ブル５によって研磨加工される。つまり、
研磨テ−ブル５の上面には研磨布６が設けられ、この研
磨布６には研磨液Ｌがノズル体７から供給される。上記
研磨テ−ブル５は駆動ベルト８を介して下部駆動源９に
よって図中矢印で示す方向に回転駆動されるようになっ
ている。

【００１０】上記研磨液Ｌは化学的作用と、それに含ま
れる砥粒の物理的作用とによって上記半導体ウエハ１上
の素子形成の影響による絶縁膜または配線膜の表面凹凸
を平坦に研磨加工する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】絶縁膜または配線膜の
表面凹凸を平坦化するのにＣＭＰを用いた場合に、以下
のようなことが生じる。第１に、成膜工程と平坦化工程
とが別工程で行われているため、スル−プット向上に限
界があった。

【００１２】第２に、ＣＭＰによる平坦化はウエットプ
ロセスであるから、それによる汚染や研磨液中の砥粒に
よる発塵を招くということがあった。第３に、nmオ−ダ
の平坦化と膜厚コントロ−ルが要求されるが、ＣＭＰに
より平坦化を行うと、プロセス的な安定性を確立できな
い。たとえば、半導体ウエハ１の面内の膜厚の均一性は
現状において±３〜５％程度であるが、ＬＳＩの高集積
化と高速化などに伴ってさらなる均一性が要求される。

【００１３】そこで、この発明は、基板に対する成膜
と、平坦化とを同一のチャンバ内で行えるようにしてス
ル−プットの向上を計るようにした成膜装置を提供する
ことにある。また、この発明の目的は、ドライプロセス
で絶縁膜や配線の平坦化を行えるようにした成膜装置を
提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、基板
に成膜するための成膜装置において、上記基板が設置さ
れるチャンバと、このチャンバに設けられ上記基板に所
定の物質を堆積させて成膜する成膜手段と、上記チャン
バに設けられ上記成膜手段によって形成される膜にエネ
ルギビ−ムを照射して平坦化するビ−ム照射手段とを具
備したことを特徴とする。

【００１５】請求項２の発明は、基板に成膜するための
成膜装置において、上記基板が設置されるチャンバと、
このチャンバに設けられ上記基板に所定の物質を堆積さ
せて成膜する成膜手段と、上記チャンバに設けられ上記
成膜手段によって形成される膜にエネルギビ−ムを照射
して平坦化するビ−ム照射手段と、上記基板に堆積され
る膜の厚さを検出する検出手段と、この検出手段によっ
て検出される膜厚に応じて上記成膜手段による成膜を制
御する制御手段とを具備したことを特徴とする。

【００１６】請求項３の発明は、請求項１または２の発
明において、上記成膜手段はスパッタ蒸着手段であるこ
とを特徴とする。請求項４の発明は、請求項１または請
求項２の発明において、上記成膜手段は化学気相蒸着手
段（ＣＶＤ）であることを特徴とする。

【００１７】請求項５の発明は、請求項１または請求項
２の発明において、上記基板に堆積される膜は、上記基
板に形成された配線パタ−ンを覆う層間絶縁膜であるこ
とを特徴とする。

【００１８】請求項６の発明は、請求項１または請求項
２上記基板に堆積される膜は、上記基板に形成された溝
に埋設される配線膜であることを特徴とする。請求項１
乃至請求項４の発明によれば、同一のチャンバ内で基板
に対する成膜と、その膜の平坦化とを行うことができ
る。

【００１９】さらに、請求項２の発明は、基板に形成さ
れる膜の厚さを精度よく制御することができる。請求項
５の発明によれば、基板に層間絶縁膜を成膜し、その膜
を平坦化することができる。請求項６の発明によれば、
基板に配線膜を形成し、その膜を平坦化することができ
る。

【００２０】

【発明の実施形態】以下、この発明の実施形態を図面を
参照して説明する。図１はこの発明の第１の実施形態の
成膜装置を示している。この成膜装置はチャンバ１１を
備えている。このチャンバ１１の上部にはタ−ゲット１
２が配設されている。このタ−ゲット１２は第１のマッ
チング回路１３を介して第１の高周波発生器１４に接続
されている。

【００２１】上記タ−ゲット１２の下方には、このタ−
ゲット１２に対向して支持台１５が配設されている。こ
の支持台１５の上面には半導体ウエハや液晶基板などの
基板１６が供給されるようになっている。

【００２２】上記支持台１５の下面には駆動軸１７が垂
設され、この駆動軸１７には回転駆動源１８が接続され
ている。したがって、上記支持台１５は上記回転駆動源
１８によって回転駆動されるようになっている。

【００２３】上記支持台１５には第２のマッチング回路
１３を介して第２の高周波発生器１９が接続されてい
る。この高周波発生器１９によって上記支持台１５に印
加される電圧は電圧計２０によって検出される。

【００２４】上記チャンバ１１の上部には放電ガスの供
給管２１が接続されている。この供給管２１からは上記
チャンバ１１内へ放電ガスとしてたとえばＡｒガスが供
給されるようになっている。さらに、チャンバ１１の底
部には排気管２２が接続されている。この排気管２２は
図示しない真空ポンプに接続されていて、上記チャンバ
１１内を減圧するようになっている。

【００２５】上記タ−ゲット１２と支持台１５とにそれ
ぞれ高周波発生器１４、１９を接続したことで、タ−ゲ
ット１２だけでなく、支持台１５上の基板１６側にも放
電プラズマ電位に対して負電圧が印加される。それによ
って、タ−ゲット１２と同時に基板１６もＡｒイオンガ
スでスッパッタされるから、この基板１６上で膜の堆積
とスパッタエッチングが同時に行なわれる。つまり、上
記タ−ゲット１２はこれに含まれる物質を上記基板１６
に堆積させて成膜するための成膜手段をなしている。

【００２６】上記チャンバ１１にはエネルギビ−ムとし
てのイオンビ−ムＩを出射するイオン銃２５がその出射
面２５ａを上記基板１６に向けて配置されている。この
イオン銃２５にはイオン源ガスの供給管２６が接続され
ている。

【００２７】上記イオン銃２５はＸ・Ｙ・θ駆動源２７
によってＸ方向、Ｙ方向およびθ方向、つまり水平方向
と揺動方向とに駆動されるようになっている。このＸ・
Ｙ・θ駆動源２７は制御装置２８からの制御信号によっ
て作動される。上記第１の高周波発生器１４と第２の高
周波発生器１９も上記制御装置２８からの制御信号によ
って作動されるようになっている。

【００２８】上記タ−ゲット１２がＡｒイオンガスでス
パッタされて基板１６に成膜されている最中あるいは成
膜が終了した時点で上記イオン銃２５を作動させ、イオ
ンビ−ムＩを上記基板１６に照射すると、そのイオンビ
−ムＩの運動エネルギによって上記基板１６に堆積され
る膜に、粘性流動、蒸発・凝縮、堆積拡散、表面拡散な
どの物質輸送現象が生じさせる。それによって、その膜
は平坦化されることになる。

【００２９】さらに、上記チャンバ１１の一側壁には入
射窓３１、他側壁には出射窓３２がそれぞれ気密に形成
されている。上記入射窓３１にはレ−ザ光Ｌを出射する
レ−ザ光源３３が対向して配置され、上記出射窓３２に
はレ−ザ光Ｌの強度を検出する検出器３４が対向して配
置されている。

【００３０】上記レ−ザ光源３３から出射して入射窓３
１からチャンバ１１内へ入射したレ−ザ光Ｌは上記基板
１６の表面を照射する。この基板１６で反射したレ−ザ
光Ｌは出射窓３２から出射して上記検出器３４でその強
度が検出される。レ−ザ光Ｌの波長をλ、基板１６への
入射角をθとすると、基板１６に堆積される膜の厚さｄ
は下記の（１）式で示される。

【００３１】ｄ＝ｍλ／（２・sin θ） …（１）式上記（１）式においてｍは次数である。入射角度θを一
定にした状態では、膜厚ｄが｛λ／（２・sin θ）｝の
整数倍になれば、膜表面と基板１６表面の光反射の干渉
によってレ−ザ光Ｌの反射強度は強められる。

【００３２】逆に、膜厚ｄが｛（λ／２＋λ）／（２・
sin θ）｝の整数倍になれば、反射強度は弱くなる。し
たがって、レ−ザ光Ｌの反射強度の変化（次数ｍ）を測
定することで、基板１６に形成された膜の厚さを定量化
できるようになっている。

【００３３】なお、レ−ザ光Ｌは基板１６に形成される
膜を透過し、基板１６で反射する波長のものが使用され
ている。それによって、上記（１）式が成立する。つぎ
に、上記構成の成膜装置によって基板１６に成膜する手
順を説明する。保持台１５上に基板１６を供給したなら
ば、高周波発生器１４、１９を作動させてタ−ゲット１
２と保持台１５とに高周波電圧を印加するとともに、チ
ャンバ１１内にＡｒガスを供給する。

【００３４】それによって、Ａｒガスがイオン化され、
そのＡｒイオンガスがタ−ゲット１２を射突するから、
タ−ゲット１２がスパッタされてこのタ−ゲット１２を
形成する物質が基板１６上に堆積される。つまり、基板
１６にはタ−ゲット１２の物質によって成膜される。

【００３５】上記成膜中にはイオン銃２５が作動する。
イオン銃２５が作動することで、供給管２６からイオン
銃２５に供給されるイオン源ガスがイオン化され、イオ
ンビ−ムＩが基板１６を照射する。イオンビ−ムＩが照
射されることで、基板１６上に堆積された膜に運動エネ
ルギが付与され、それによって上述した物質輸送現象が
生じるから、その膜が平坦化されることになる。

【００３６】イオンビ−ムＩの照射に際し、回転駆動源
１８を作動させて支持台１５を回転駆動する。それによ
って、支持台１５上の基板１６に対してイオンビ−ムＩ
の照射を均一に行えるから、膜の均一化が促進される。

【００３７】さらに、イオン銃２５をＸ・Ｙ・θ駆動源
２７によって水平方向に変位させたり、揺動させること
によっても、基板１６に対するイオンビ−ムＩの照射が
均一化され、成膜の均一化が計れる。

【００３８】成膜時には、レ−ザ光源３３が作動してレ
−ザ光Ｌを基板１６に照射し、基板１６からの反射光が
検出器３４で検出され、その検出信号によって上記基板
１６に形成される膜の厚さが測定される。基板１６に形
成された膜が所定の厚さに達したならば、そのことが検
出器３４によって検出される。それによって、制御装置
２８は各高周波発生器１４、１９の作動を停止して成膜
を終了する。

【００３９】図２（ａ）、（ｂ）は基板１６に形成され
る膜が均一化される状態を示している。つまり、図２
（ａ）は基板１６の配線１６ａが形成された面に、膜と
して層間絶縁膜３５を堆積させる状態を示しており、イ
オン銃２５によってイオンビ−ムＩを照射しない場合に
は同図に破線で示すように層間絶縁膜３５は配線１６ａ
の凹凸に倣って凹凸形状となってしまうが、イオンビ−
ムＩを照射することで、同図に実線で示すように層間絶
縁膜３５を平坦化することができる。

【００４０】図２（ｂ）は基板１６に形成された配線溝
１６ｂに配線膜３６を成膜する場合を示しており、イオ
ンビ−ムＩを照射しない場合には同図に破線で示すよう
に配線膜３６は配線溝１６ｂが形成された基板１６の凹
凸面に倣って凹凸状になってしまうが、イオンビ−ムＩ
を照射することで、基板１６の上面と面一な状態で配線
溝１６ｂに配線膜１６ｂを確実に埋め込むことができ
る。つまり、基板１６の配線溝１６ｂだけに配線膜３６
を堆積させ、それ以外の部分に堆積する物質を除去する
ことができる。

【００４１】上記基板１６に形成される配線１６ａや配
線溝１６ｂのアスペクト比が高くなると、配線１６ａ間
の凹部や配線溝１６ｂの開口部分が成膜材料によって塞
がれ、それらの内部に空房が生じるということがある
が、上述したように成膜時にイオンビ−ムＩを照射する
ことで、そのようなことが発生するのも防止できる。

【００４２】この実施形態における成膜手段は上述した
ごとく、高周波バイアススパッタであるため、平坦性に
優れているとされている。しかしながら、高周波バイア
ススパッタであっても、高集積化に伴いパタ−ン高さ0.
7 μｍ、パタ−ン幅0.35μｍ以下の高アスペクト比の段
差になると十分に平坦化されないということがあった。
そこで、この実施形態のごとく、成膜時にイオンビ−ム
Ｉを照射することで、上述したような高アスペクト比の
場合であっても、確実に平坦化できることが確認され
た。

【００４３】このように、チャンバ１１に成膜手段とビ
−ム照射手段とを設けたことで、成膜と同時にその膜を
平坦化することができるから、スル−プットを向上させ
ることができる。しかも、イオンビ−ムにＩよる平坦化
は、ドライプロセスであるから、ＣＭＰに比べて砥粒よ
る汚染や後処理の点で優れているばかりか、イオンビ−
ムＩは大きな面積への照射が可能であるから、大面積で
あっても、膜厚を均一化（平坦化）することができる。

【００４４】つぎに、図３に示すこの発明の第２の実施
形態を説明する。なお、第１の実施形態と同一部分には
同一記号を付して説明を省略する。図３に示す成膜装置
は成膜手段としてＥＣＲプラズマＣＶＤを用いたもの
で、チャンバ１１の上部には外周部に冷却ジャケット４
２が設けられたプラズマ室４１が形成されている。上記
ジャケット４２には冷却液の供給管４３と排出管４４と
が接続されている。

【００４５】上記プラズマ室４１の上部にはマイクロ波
の導入窓４５が形成されている。この導入窓４５には導
波管４６の一端が接続されている。この導波管４６の他
端には2.45ＧＨｚの上記マイクロ波を発生するマイクロ
波発生源４７が接続されている。このマイクロ波発生源
４７は制御装置２８によって制御されるようになってい
る。

【００４６】上記プラズマ室４１の周囲には電磁コイル
４８が配設されている。さらに、成膜材料となる原料ガ
スは上記プラズマ室４１に接続された第１の供給管５１
と、チャンバ１１に接続された第２の供給管５２とから
供給されるようになっている。

【００４７】上記構成の成膜装置においては、プラズマ
室４１に供給された原料ガスは、マイクロ波発生源４７
で発生し、導波管４６および導入窓４５を通じてプラズ
マ室４１に導入されたマイクロ波によってプラズマ化さ
れる。それによって、上記原料ガスに含まれる成膜物質
が析出される。また、チャンバ１１に供給された原料ガ
スはプラズマ室４１から流入するプラズマによってプラ
ズマ化されることで、このガスからも成膜物質が析出さ
れる。

【００４８】このようにして析出された成膜物質は、支
持台１５上に載置された基板１６に堆積し、この基板１
６に膜を形成することになる。成膜時にはイオン銃２５
からイオンビ−ムＩが出射され、基板１６を照射する。
それによって、基板１６に堆積する層間絶縁膜や配線膜
は上記第１の実施形態と同様に平坦化されることにな
る。

【００４９】平坦化に際しては、支持台１５を回転駆動
源１８によって回転させたり、イオン銃２５をＸ・Ｙ・
θ駆動源２７によって水平方向や揺動方向に駆動するこ
とで、より一層、平坦化を促進することができる。

【００５０】この発明は上記各実施形態に限定されず、
種々変形可能である。たとえば、上記各実施形態では、
成膜時にイオン銃２５を作動させて膜の平坦化を計るよ
うにしたが、成膜後にイオン銃２５を作動させてその膜
を平坦化してもよい。また、膜を平坦化するのにイオン
ビ−ムを用いたが、レ−ザ光や電子ビ−ムなどの他のエ
ネルギビ−ムを用いることも可能である。

【００５１】

【発明の効果】以上述べたように請求項１乃至請求項４
の発明によれば、同一のチャンバ内で基板に対する成膜
と、その膜の平坦化とを行うことができるから、スル−
プットの向上が計れる。しかも、膜の平坦化をドライプ
ロセスで行えるから、ウエットプロセスのように汚染や
発塵などの問題が生じることがない。

【００５２】さらに、請求項２の発明によれば、基板に
形成される膜の厚さを精度よく制御することができる。
請求項５の発明によれば、基板に層間絶縁膜を形成する
場合に、その膜を平坦化することができる。請求項６の
発明によれば、基板に配線膜を形成する場合に、その膜
を平坦化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施形態を示す成膜装置の概
略的構成図。

【図２】同じく（ａ）は層間絶縁膜を平坦化する場合の
説明図、（ｂ）は同じく配線膜を平坦化する場合の説明
図。

【図３】この発明の第２の実施形態の成膜装置を示す概
略的構成図。

【図４】従来の膜を平坦化するためのＣＭＰ法の説明
図。

【符号の説明】

１１…チャンバ、１２…タ−ゲット（成膜手段）、１６
…基板、１６ａ…配線、１６ｂ…配線溝、２５…イオン
銃、２８…制御装置（制御手段）、３３…レ−ザ光源
（検出手段）、３４…検出器（検出手段）、３５…層間
絶縁膜、３６…配線膜、Ｉ…イオンビ−ム。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板に成膜するための成膜装置におい
て、上記基板が設置されるチャンバと、このチャンバに設けられ上記基板に所定の物質を堆積さ
せて成膜する成膜手段と、上記チャンバに設けられ上記成膜手段によって形成され
る膜にエネルギビ−ムを照射して平坦化するビ−ム照射
手段とを具備したことを特徴とする成膜装置。
【請求項２】基板に成膜するための成膜装置におい
て、上記基板が設置されるチャンバと、このチャンバに設けられ上記基板に所定の物質を堆積さ
せて成膜する成膜手段と、上記チャンバに設けられ上記成膜手段によって形成され
る膜にエネルギビ−ムを照射して平坦化するビ−ム照射
手段と、上記基板に堆積される膜の厚さを検出する検出手段と、この検出手段によって検出される膜厚に応じて上記成膜
手段による成膜を制御する制御手段とを具備したことを
特徴とする成膜装置。
【請求項３】上記成膜手段はスパッタ蒸着手段である
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の成膜装
置。
【請求項４】上記成膜手段は化学気相蒸着手段（ＣＶ
Ｄ）であることを特徴とする請求項１または請求項２記
載の成膜装置。
【請求項５】上記基板に堆積される膜は、上記基板に
形成された配線パタ−ンを覆う層間絶縁膜であることを
特徴とする請求項１または請求項２記載の成膜装置。
【請求項６】上記基板に堆積される膜は、上記基板に
形成された溝に埋設される配線膜であることを特徴とす
る請求項１または請求項２記載の成膜装置。