JPH09228040A - 薄膜形成装置および薄膜形成方法ならびにそれらを用いた半導体集積回路装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スパッタ薄膜の表面被覆率および表面平坦性
の改善を行い、半導体集積回路装置の信頼性と製造歩留
まりを向上する。 【解決手段】 複数の成膜室を有する薄膜形成装置にお
いて、Ｔｉスパッタ成膜室５を設け、Ｔｉターゲット５
ａと冷却可能なウェハステージ８と備える。ウェハステ
ージ８の内部は、冷媒温度調節器８ｂに接続される冷媒
導入用の流路８ａに、例えばフロリナートのような冷媒
８ｄを循環させ、冷媒温度調節器８ｂを用いた熱交換に
より、ウェハステージ８の温度を例えば−２０℃程度ま
で下げる。さらにウェハステージ８には抵抗加熱ヒータ
８ｅおよび熱電対８ｆが設置されており、冷媒との併用
により、例えば−１０℃程度に温度を調整し保持するこ
とが可能となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜形成装置およ
び薄膜形成方法ならびに半導体集積回路装置に関し、特
に、高いアスペクト比のコンタクトホール、ビアホール
等の開孔を有する高性能な半導体集積回路装置の製造に
適用して有効な技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路装置に用いられる金属膜
等の導電膜は、通常スパッタリング等のＰＶＤ（Physic
al Vapor Deposition ）法を用いて形成される。

【０００３】スパッタリング法は、一般に、対向して設
置されたアノードおよびカソードとなる２つの電極の間
に、直流または交流の電界を印加し、両電極間に発生し
たプラズマの作用によりカソード上に設置したターゲッ
ト物質をスパッタし、このスパッタされた物質をアノー
ド上に設置した基板に体積させるものである。

【０００４】電極の構造は平行平板形であることが一般
的であるが、プラズマの密度向上を目的としてカソード
裏面に磁石を配置し、マグネトロンプラズマを生成する
場合もある。

【０００５】ターゲット物質は、被形成薄膜の物質組成
と化学量論的に同一となる材料が一般的には選ばれる
が、プラズマを構成するガスの反応性を利用して、被形
成薄膜の物質組成をターゲット物質の組成から変化させ
る反応性スパッタとされることもある。

【０００６】１９８３年７月２５日、工業調査会発行、
「最新ＬＳＩプロセス技術」、ｐ２４６に記載されてい
るとおり、基板が設置されるアノードは加熱され、被形
成薄膜の堆積は、基板の温度が雰囲気温度よりも高くな
っている状態で行われるのが一般的である。

【０００７】ところで、本発明者は、基板を加熱する理
由について検討した。以下は、公知とされた技術ではな
いが、発明者により検討された技術であり、その概要は
次のとおりである。

【０００８】すなわち、被形成薄膜の成膜メカニズムに
おいて、ターゲットからスパッタされた物質（クラスタ
物質と云われる）が基板表面に輸送されてきた後、その
クラスタ物質が薄膜の被形成表面を泳動する距離は、被
形成表面の温度に依存し、その温度が高いほど泳動距離
は長いと考えらる。泳動距離が長いほど被形成薄膜の欠
陥は減少し、特性的には導電率の向上を示す。配線とし
てこのスパッタ薄膜を用いる場合には、薄膜の導電率は
重要な特性評価項目となる。なお、基板の加熱は、アノ
ードからの滅伝導加熱の他に、赤外線等による直接加熱
が採用される場合もある。

【０００９】従って、スパッタ法を用いた薄膜形成装置
においては、基板ホルダーでもあるアノードに加熱用ヒ
ータを備える。なお、加熱用ヒータに加えて冷却水循環
機構を有している場合もあるが、ここでの冷却水の役割
は、ヒータによる入熱量の調整を行うことを目的とする
ものであり、環境温度より高い温度領域での基板温度の
制御性を確保するものである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、半導体集積回
路装置の集積度が向上するに従い、段差の被覆性（ステ
ップカバレッジ）が問題となる。つまり、集積度の向上
に従って開孔等のアスペクト比は高くなり、開孔の底面
あるいは側面での薄膜の被覆性が低下するという問題を
生じる。

【００１１】上記問題は、本発明者らの検討により以下
のように理解することができる。すなわち、従来の基板
加熱を行う薄膜形成装置では、基板表面の薄膜被形成表
面は、従来技術の項で説明したとおりクラスタが十分泳
動できる状態にある。クラスタの泳動距離の増大は、薄
膜被形成表面での他のクラスタとの会合（衝突）確率の
増大をもたらす。この会合が起こればかなりの確率で相
互のクラスタは結合し、表面自由エネルギの減少を伴っ
て、結晶粒へと成長することとなる。この結晶粒の大き
さが被形成薄膜の膜厚に比べて十分小さい場合には問題
はあまりないが、開孔の微細化、高アスペクト比化に伴
って、開孔底面あるいは側面に形成する薄膜の膜厚が薄
くなる場合、特に開孔内に形成する薄膜を積層化する場
合の下層とする場合には、要求される膜厚は５０〜２０
０Åと薄く、数十クラスタ（数原子の元素で１つのクラ
スタが形成されると考えられている）の会合で膜厚相当
の厚さの結晶粒が成長してしまう。このような結晶粒の
成長は、スパッタ物質により基板表面が被覆されない島
状成長つまり基板表面被覆率の低下あるいは表面平坦性
の劣化を引き起こすこととなる。

【００１２】このような基板表面被覆率の低下あるいは
表面平坦性の劣化は、その後の製造プロセスに悪影響を
及ぼすと同時に半導体集積回路装置の製造歩留まりの低
下を招くという問題を生じる。

【００１３】本発明の目的は、膜厚の薄いスパッタ薄膜
においても、高い表面被覆率および良好な表面平坦性を
実現できる薄膜形成装置を提供することにある。

【００１４】本発明の他の目的は、高い表面被覆率およ
び良好な表面平坦性を有する膜厚の薄いスパッタ薄膜の
製造方法を提供することにある。

【００１５】本発明のさらに他の目的は、高い表面被覆
率および良好な表面平坦性を有するスパッタ薄膜を用い
て、信頼性が高く、製造歩留まりの高い半導体集積回路
装置とその製造方法を提供することにある。

【００１６】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
次のとおりである。

【００１８】（１）本発明の薄膜形成装置は、その内部
の圧力を大気圧以下の圧力に保持することができる一ま
たは二以上の真空容器と、真空容器内の気体を排気する
排気手段と、真空容器のうち少なくとも一の真空容器に
一定流量のガスを供給するガス供給手段と、ガスを排気
し、一の真空容器内の圧力を所定の圧力に保持する圧力
調整手段と、ガスの全部もしくは一部をプラズマ状態に
することができるプラズマ生成手段と、プラズマに接
し、薄膜の原料となる物質を主成分とする材料をその表
面に有するターゲットと、プラズマの作用によって前記
ターゲットからスパッタリングされた原料物質がその表
面に堆積される基板を保持する基板ホルダと、を含む薄
膜形成装置であって、基板ホルダは、基板を冷却する冷
却機構を備えるものである。

【００１９】このような薄膜形成装置によれば、基板ホ
ルダに冷却機構を備えているため、基板を冷却すること
が可能であり、前記した薄膜被形成表面でのクラスタの
泳動距離を小さくすることができる。このため、被形成
表面での結晶粒の成長は抑制され、基板の表面被覆率は
高くなり、また、表面平坦性も向上することとなる。そ
の結果、この薄膜形成装置を用いて製造した半導体集積
回路装置の信頼性は向上し、製造歩留まりも向上するこ
ととなる。

【００２０】なお、前記冷却機構は、基板ホルダを冷媒
により冷却する機構の他に、ペルチェ素子等を用いた電
子冷却とすることもできる。

【００２１】また、本発明の薄膜形成装置におけるプラ
ズマ生成手段は、平行平板電極を用いた一般的なプラズ
マ発生手段の他に、マグネトロンプラズマ、ＥＣＲプラ
ズマ（Electron Cyclotron Resonance Plasma ）、ヘリ
コン波プラズマ等の高密度プラズマを用いることもでき
る。

【００２２】（２）本発明の薄膜形成装置は、前記した
（１）に記載の薄膜形成装置であって、冷却機構は、０
℃以下においても凝固しない冷媒を利用して基板ホルダ
を冷却する機構を有するものであり、基板を室温以下の
温度に保持できるものである。

【００２３】このような薄膜形成装置によれば、冷却機
構は０℃以下においても凝固しない冷媒を利用するもの
であるため、基板を室温以下の温度に保持することがで
き、より表面被覆率が高く、表面平坦性に優れた薄膜を
形成することができる。

【００２４】また、このような薄膜形成装置によれば、
冷媒を用いるため、装置の構造を簡略化することがで
き、保守等が容易になることに加え、高周波プラズマ等
を生成する場合であっても、そのプラズマ発生用の電界
に影響されることなく温度制御が可能になるという利点
を有する。

【００２５】（３）本発明の薄膜形成装置は、前記した
（１）または（２）に記載の薄膜形成装置であって、少
なくとも１つの真空容器は、基板を加熱する基板加熱手
段を備えているものである。

【００２６】このような薄膜形成装置によれば、基板冷
却が可能な基板ホルダを有する真空容器あるいは他の真
空容器に、基板加熱が可能な基板加熱手段を備えている
ため、薄膜堆積前の基板に付着した残留ガスあるいは水
分を有効に除去することができる。また、基板を冷却し
た状態でのスパッタ成膜の後に、同一の真空容器で、あ
るいは他の真空容器で基板を加熱した状態での薄膜の堆
積を実行することができる。

【００２７】（４）本発明の薄膜形成装置は、前記した
（１）〜（３）に記載の薄膜形成装置であって、少なく
とも１つの真空容器は、その真空容器内の圧力を大気圧
以上の加圧状態に保持することができるものである。

【００２８】このような薄膜形成装置によれば、基板冷
却が可能な基板ホルダを有する真空容器あるいは他の真
空容器が、その真空容器内の圧力を大気圧以上の加圧状
態に保持することができるため、開孔等に堆積した薄膜
にボイドを有する場合であっても、この圧力の力学的な
作用により、ボイドを埋め込むことが可能である。

【００２９】（５）本発明の薄膜形成方法は、前記した
（１）〜（４）に記載の薄膜形成装置を用いて基板に薄
膜を形成する薄膜形成方法であって、基板を室温以下の
温度に保持した状態で、プラズマの作用によりターゲッ
トから原料物質をスパッタし、基板に薄膜を堆積する工
程を含むものである。

【００３０】このような薄膜形成方法によれば、基板を
室温以下に保持するため、基板表面の薄膜が堆積される
被形成表面でのクラスタの泳動が抑制され、表面被覆率
が高く、表面平坦性に優れたスパッタ薄膜を形成するこ
とができる。

【００３１】（６）本発明の薄膜形成方法は、前記した
（３）または（４）に記載の薄膜形成装置を用いて基板
に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、基板を室温以
下の温度に保持した状態で、プラズマの作用によりター
ゲットから原料物質をスパッタし、基板に薄膜を堆積す
る第１の工程、その後、基板を１００℃以上の温度に保
持した状態で、プラズマの作用によりターゲットから原
料物質をスパッタし、基板に薄膜を堆積する第２の工
程、を含むものである。

【００３２】このような薄膜形成方法によれば、基板を
室温以下に保持したスパッタ薄膜形成の後に、基板を１
００℃以上の温度に保持した状態で薄膜を形成するた
め、前記（５）の効果に加え、高いアスペクト比の開孔
であっても容易に開孔の穴埋めが可能である。すなわ
ち、基板の温度が高いため、クラスタの泳動や粒成長が
促進され、その結果開孔内部に流動性を持ったクラスタ
が引きずりこまれ、開孔を埋め込むことができるからで
ある。

【００３３】（７）本発明の薄膜形成方法は、前記した
（４）に記載の薄膜形成装置を用いて基板に薄膜を形成
する薄膜形成方法であって、基板を室温以下の温度に保
持した状態で、プラズマの作用によりターゲットから原
料物質をスパッタし、基板に薄膜を堆積する第１の工
程、その後、基板を１００℃以上の温度に保持した状態
で、プラズマの作用によりターゲットから原料物質をス
パッタし、基板に薄膜を堆積する第２の工程、その後、
前記基板を大気圧以上の加圧状態に保持する第３の工
程、を含むものである。

【００３４】このような薄膜形成方法によれば、基板を
室温以下に保持したスパッタ薄膜形成の後に、基板を１
００℃以上の温度に保持した状態で薄膜を形成し、その
後、基板を加圧状態に保持するため、前記（５）および
（６）の効果に加え、第２の工程における薄膜形成の結
果開孔にボイドが形成されても、加圧状態による物理的
な圧力によってそのボイドを押しつぶし、ボイドを無く
すことができる。加圧圧力は１００気圧以上、好ましく
は４００気圧〜５００気圧である。この加圧工程におい
て同時に基板を加熱することも効果的である。なお、第
１の工程を経ずに、第２および第３の工程により開孔の
穴埋めを行うことも可能であるが、第１の工程が存在す
ることにより、開孔内の薄膜の表面被覆率および表面平
坦性が向上しているため、第３の工程における圧力およ
び温度の条件を緩和し、より低い圧力、より低い温度
で、前記ボイドを消滅させることが可能となる。

【００３５】（８）本発明の薄膜形成方法は、前記した
（６）または（７）に記載の薄膜形成方法であって、第
１の工程から第２の工程、または第２の工程から第３の
工程に移行する際に、基板を、非酸化性または還元性雰
囲気に置くことを特徴とするものである。

【００３６】このような薄膜形成方法によれば、前記各
工程間の休止時あるいは移動時にその直前に形成された
薄膜の表面を酸化することなく、次工程の薄膜堆積時に
クラスタの十分な表面泳動を実現でき、開孔をボイドの
無い状態で埋め込むことができる。なお、非酸化性雰囲
気には、高真空状態に数分以下の短時間曝す場合も含む
ものである。このような場合も、薄膜の表面を酸化させ
にくいものだからである。

【００３７】（９）本発明の半導体集積回路装置は、基
板の主面に半導体素子を有し、半導体素子を覆う絶縁層
に設けられた開孔を介して半導体素子または下層配線に
接する配線を有する半導体集積回路装置であって、配線
は、基板を室温以下の温度に保持した状態で、プラズマ
の作用によるターゲットからの原料物質のスパッタリン
グにより、基板に堆積された第１の導電層と、基板を１
００℃以上の温度に保持した状態で、プラズマの作用に
よるターゲットからの原料物質のスパッタリングによ
り、基板に堆積された第２の導電層と、を含むものであ
る。

【００３８】このような半導体集積回路装置によれば、
その配線を構成する第１層が、基板を室温以下の温度に
保持した状態で、プラズマの作用によるターゲットから
の原料物質のスパッタリングにより製造されたものであ
るため、開孔内の第１層の表面被覆率が高く、表面平坦
性にも優れたものとなっている。このため、半導体集積
回路装置の信頼性および製造歩留まりを高くすることが
できる。

【００３９】また、前記配線の第２層が、基板を１００
℃以上の温度に保持した状態で、プラズマの作用による
ターゲットからの原料物質のスパッタリングにより、基
板に堆積されたものであるため、第２層の導電率は十分
高く、半導体集積回路装置の基本的な性能を発揮するこ
とができる。

【００４０】なお、この半導体集積回路装置は、１００
気圧以上の高い圧力下に保持して製造されたものであっ
てもよい。その場合、開孔のボイドの存在確率は低くな
り、信頼性および製造歩留まりは向上する。

【００４１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。

【００４２】（実施の形態１）図１は、本発明の一実施
の形態である薄膜形成装置の成膜室の一例を示した側面
断面図であり、図２は、本発明の一実施の形態である薄
膜形成装置の成膜室の別の一例を示した側面断面図であ
る。また、図３は、本発明の一実施の形態である薄膜形
成装置の一例を示した上面図である。

【００４３】本実施の形態の薄膜形成装置は、図３に示
すとおり、半導体集積回路装置の製造に用いられるウェ
ハプロセス用の金属膜形成装置であり、真空搬送室１を
中心に真空容器であるロードロック室２、前処理加熱室
３、前処理スパッタエッチ室４、Ｔｉスパッタ成膜室
５、第１のＡｌスパッタ成膜室６および第２のＡｌスパ
ッタ成膜室７を有するマルチチャンバ成膜装置である。

【００４４】真空搬送室１には、ロボットアーム１ａを
有し、このロボットアーム１ａを用いて基板を搬送する
ことができる。

【００４５】ロードロック室２、前処理加熱室３、前処
理スパッタエッチ室４、Ｔｉスパッタ成膜室５、第１の
Ａｌスパッタ成膜室６および第２のＡｌスパッタ成膜室
７は、ゲートバルブ１ｂを介して真空搬送室１に接続さ
れており、各々、残留ガスを排気し、高真空状態に保持
できる排気機構と、各々の処理に応じたプロセスガスを
一定流量で供給することができるガス供給系と、この供
給されるガスの圧力を一定に保持することができる圧力
調整系を有する。

【００４６】また、真空搬送室１にも同様に排気機構を
備えることができる。

【００４７】ロードロック室２は、基板であるウェハ１
０のロードおよびアンロードを行う処理室であり、ウェ
ハ１０は通常カセットに複数枚セットして、カセット単
位の処理を行う。

【００４８】前処理加熱室３は、ウェハ１０をロボット
アーム１ａによりロード室からロードし、加熱処理を行
うことができる。これにより、ウェハ１０の表面に吸着
したガスあるいは水蒸気を除去することができる。ま
た、各処理室とは独自に前処理加熱室３を設けることに
より、一般に処理時間を要する加熱処理を前もって行う
ことが可能となり、総タクトタイムの短縮によるスルー
プットの向上を図ることができる。前処理加熱室３に
は、抵抗加熱ヒータを備えたウェハ１０のホルダあるい
はウェハ１０に均一に照射することができる赤外線ヒー
タを備えている。

【００４９】前処理スパッタエッチ室４は、前処理加熱
室３による加熱処理では除去しきれない数分子層の水分
子をスパッタイオンの作用により除去することができ
る。また、ウェハ１０の表面の薄膜被形成表面の薄い自
然酸化膜をスパッタイオンの作用により除去することが
できる。前処理スパッタエッチ室４には、平行平板電極
を備え、ウェハ１０は前記電極のカソード側に設置する
ことが好ましい。

【００５０】Ｔｉスパッタ成膜室５は、図１に示すとお
り、Ｔｉターゲット５ａと冷却可能なウェハステージ８
とを有するものである。

【００５１】ウェハステージ８の内部には、冷媒導入用
の流路８ａが形成されており、流路８ａは冷媒温度調節
器８ｂに接続されている。また、スパッタ成膜室外部で
は流路８ａは、断熱材８ｃにより大気と熱的に遮断され
ており、結露を防止している。流路８ａには、例えばフ
ロリナートのような冷媒８ｄを循環させることができ、
冷媒温度調節器８ｂを用いた熱交換により、ウェハステ
ージ８の温度を例えば−２０℃程度まで下げることが可
能である。さらにウェハステージ８には抵抗加熱ヒータ
８ｅおよび熱電対８ｆが設置されており、冷媒との併用
により、例えば−１０℃程度に温度を調整し保持するこ
とが可能となっている。

【００５２】一方、ウェハステージ８の表面には、例え
ば静電チャック等のウェハ保持機構８ｇが単独で、また
は冷却ガス吹き出し口８ｈとともにウェハ保持機構８ｇ
が設けられており、ウェハ１０とウェハステージ８との
間の熱伝達を向上しウェハ１０とウェハステージ８との
間の温度差を低減できるようになっている。

【００５３】冷却ガス吹き出し口８ｈにつながる配管は
図示しないガス供給系に接続される。また、Ｔｉターゲ
ット５ａは、Ｔｉスパッタ成膜室５から電気的に絶縁さ
れた状態で保持され、図示しない電源に接続される。Ｔ
ｉターゲット５ａには、電界は直流あるいは交流の電界
が印加されてプラズマを生成する。このとき、ウェハス
テージ８は接地され、Ｔｉターゲット５ａとウェハステ
ージ８とは互いに対向する平行平板電極を構成する。

【００５４】第１のＡｌスパッタ成膜室６は、Ａｌター
ゲット６ａと冷却可能なウェハステージ８とを有するも
のである。ウェハステージ８およびその他電極構造等
は、Ｔｉスパッタ成膜室５の場合と同様であるため、説
明を省略する。

【００５５】第２のＡｌスパッタ成膜室７は、図２に示
すとおり、Ａｌターゲット７ａと加熱可能なウェハステ
ージ１１とを有するものである。

【００５６】ウェハステージ１１の内部には、冷却水導
入用の流路１１ａが形成されており、流路１１ａは、冷
却水温度調節器１１ｂに接続されている。さらにウェハ
ステージ１１には、抵抗加熱ヒータ１１ｅおよび熱電対
１１ｆが設置されており、冷却水との併用により、例え
ば４００℃程度に温度を調整し保持することが可能とな
っている。

【００５７】一方、ウェハステージ１１の表面には、例
えば静電チャック等のウェハ保持機構１１ｇが単独で、
または温調用ガス吹き出し口１１ｈとともにウェハ保持
機構１１ｇが設けられており、ウェハ１０とウェハステ
ージ１１との間の熱伝達を向上しウェハ１０とウェハス
テージ１１との間の温度差を低減できるようになってい
る。

【００５８】ガス供給系、電極構造については、Ｔｉス
パッタ成膜室５の場合と同様であるため、説明を省略す
る。

【００５９】なお、ここでは、ウェハステージ１１内部
に冷却水導入用の流路１１ａを設け、ウェハ１０の温度
制御に用いているが、これは用いても、用いなくても良
い。

【００６０】上記した本実施の形態の薄膜形成装置によ
れば、以下のような効果が得られる。

【００６１】（１）ウェハステージ８を冷却することが
可能となり、表面被覆率が高く、表面平坦性に優れたＴ
ｉあるいはＡｌのスパッタ膜を得ることができる。

【００６２】（２）冷媒８ｄとして、０℃以下において
も凝固しないフロリナートを利用するため、ウェハ１０
を室温以下の温度に保持することができ、より表面被覆
率が高く、表面平坦性に優れたＴｉあるいはＡｌのスパ
ッタ膜を形成することができる。

【００６３】（３）冷媒８ｄを用いるため、装置の構造
を簡略化することができ、保守等が容易になることに加
え、高周波プラズマ等を生成する場合であっても、その
プラズマ発生用の電界に影響されることなく温度制御が
可能になる。

【００６４】（４）ウェハステージ１１を加熱すること
ができるので、従来同様、導電率の高いＡｌスパッタ膜
を得ることができる。

【００６５】（５）マルチチャンバ方式を採用するた
め、低温にてＴｉおよびＡｌスパッタ膜を形成した後、
高温にてＡｌスパッタ膜を形成することが可能である。
これにより、開孔のＡｌによる埋込の際にボイドを形成
しない良好な埋込膜を形成することができる。

【００６６】（６）ロードロック室２を備えるため、ウ
ェハ１０あたりのタクトタイムを短縮し、スループット
を向上することができる。

【００６７】（７）前処理加熱室３を備えるため、ウェ
ハ１０の表面に吸着したガスあるいは水蒸気を除去する
ことができる。また、総タクトタイムの短縮によるスル
ープットの向上を図ることができる。

【００６８】（８）前処理スパッタエッチ室４を備える
ため、前処理加熱室３による加熱処理では除去しきれな
い数分子層の水分子をスパッタイオンの作用により除去
することができる。また、ウェハ１０の表面の薄膜被形
成表面の薄い自然酸化膜をスパッタイオンの作用により
除去することができる。

【００６９】なお、第２のＡｌスパッタ成膜室７には、
１００気圧以上たとえば５００〜７００気圧の加圧機構
を設けてもよい。このとき、同時にウェハ１０を加熱す
る場合には、ウェハ１０の温度を４００〜５００℃に保
持できる加熱機構を備えることが望ましい。

【００７０】このような場合には、開孔等に堆積したＡ
ｌスパッタ薄膜にボイドを有する場合であっても、この
圧力の力学的な作用により、ボイドを埋め込むことが可
能となる。

【００７１】また、本実施の形態では、ＴｉおよびＡｌ
のスパッタ膜を低温で形成でき、Ａｌスパッタ膜を高温
で形成できる薄膜形成装置の例について説明したが、Ｔ
ｉの代わりにＴｉＮあるいはＴｉ／ＴｉＮの積層膜が形
成できる装置であっても構わない。この場合、目的物質
に応じてターゲットを変更すれば実現できる。また、高
温Ａｌスパッタ膜の代わりにＣＶＤ−Ｗ薄膜が形成でき
る装置であってもよい。

【００７２】（実施の形態２）図４は、本発明の一実施
の形態である半導体集積回路装置の一例を示した断面図
である。

【００７３】ウェハ１０の主面には図示しない半導体集
積回路素子が形成され、その半導体集積回路素子は、絶
縁膜１０ａを介して第１層配線層である金属膜１２に接
続されている。金属膜１２は、層間絶縁膜１３に穿孔し
た開孔１４を介して第２層配線層に接続される。第２層
配線層は、Ｔｉ膜１５、低温スパッタ成膜によるＡｌ膜
１６および高温スパッタ成膜によるＡｌ膜１７から構成
されている。

【００７４】次に、前記半導体集積回路装置の製造方法
を図５〜図８を用いて説明する。なお、本実施の形態の
半導体集積回路装置の製造方法は、実施の形態１で説明
した薄膜形成装置を利用するものである。

【００７５】図５は、本発明の一実施の形態である半導
体集積回路装置の製造工程の一例を示した要部断面図で
ある。図６〜図８は、図５における開孔１４部分の製造
工程の一例を示した要部断面図である。

【００７６】ウェハ１０の主面に公知の半導体集積回路
装置の製造方法を用いて半導体集積回路素子を形成し、
絶縁膜１０ａ、第１層配線層である金属膜１２を形成す
る。半導体集積回路素子と金属膜１２との接続のための
絶縁膜１０ａに形成される開孔、および金属膜１２のパ
ターニングは、公知のリソグラフィ技術およびエッチン
グ技術を用いることができる。その後、層間絶縁膜１３
を形成し、そこに第１層配線層の金属膜１２に達する開
孔１４を穿孔する（図５）。

【００７７】次に、ウェハ１０を前記実施の形態１で説
明した薄膜形成装置のロードロック室２に導入し、排気
機構により真空に減圧する。

【００７８】次に、ウェハ１０を真空搬送室１を介して
ロードロック室２から前処理加熱室３に移動する。前処
理加熱室３ではウェハ１０を例えば４００℃に加熱する
ことにより、ウェハ１０の表面に吸着している水分や気
体分子を除去する。

【００７９】次に、ウェハ１０を真空搬送室１を介して
前処理加熱室３から前処理スパッタエッチ室４に移動す
る。前処理スパッタエッチ室ではアルゴンを導入しＲＦ
電界を印加してプラズマを生成し、ウェハ１０を例えば
−２００Ｖ程度のバイアス下でスパッタエッチを行う。
これにより、開孔１４の底面に露出した金属膜１２の表
面に形成された自然酸化膜を除去することができる。

【００８０】次に、ウェハ１０を真空搬送室１を介して
Ｔｉスパッタ成膜室５に移動する。Ｔｉスパッタ成膜室
５ではウェハ１０をウェハステージ８に搭載した後、ウ
ェハ保持機構８ｇである静電チャックに電圧を印加し、
ウェハ１０をウェハステージ８に静電吸着する。

【００８１】次に、ウェハステージ８の冷却ガス吹き出
し口８ｈからアルゴンガスを導入する。この時のウェハ
１０とウェハステージ８の間の空隙部でのアルゴンガス
の圧力は、例えば１ｔｏｒｒ以上とすることができる。
ここでウェハステージ８は冷媒温度調節器８ｂを用いた
熱交換と抵抗加熱ヒータ８ｅおよび熱電対８ｆとの併用
により、例えば−１０℃程度に温度を調整し保持するこ
とが可能となっている。したがってアルゴンガスによる
熱伝達の作用を利用し、例えばガス導入後６０秒以降の
ウェハ１０の温度を、例えば０℃に保つことが可能とな
っている。

【００８２】次に、ウェハ１０の温度が所望の温度であ
る０℃に達した後、例えばウェハ１０の直径程度の間隔
をあけてウェハ１０と対向に配置したＴｉターゲット５
ａに電力を印加し、Ｔｉのスパッタリングを開始する。
ここで、成膜条件は、例えば、圧力を0.５ｔｏｒｒ、電
力密度を１４Ｗ／ｃｍ² 、成膜速度を２００ｎｍ／ｍｉ
ｎ、成膜量を２００ｎｍとすることができる。ウェハ１
０に達したＴｉ粒子（クラスタ）はウェハ１０上に堆積
し、Ｔｉ膜１５となるがＴｉターゲット５ａとウェハ１
０の間隔が広いためＴｉ粒子のウェハ１０への入射方向
がウェハ１０に垂直な方向に偏っているのに加えて、ウ
ェハ１０の温度が低いため、Ｔｉ粒子の泳動や粒成長が
抑制され、図６に示すように開孔１４内部で良好な段差
被覆性を示す。

【００８３】次に、ウェハ１０を真空搬送室１を介して
Ａｌスパッタ成膜室６に移動する。Ａｌスパッタ成膜室
６では、ウェハ１０をウェハステージ８に搭載した後、
静電チャック等のウェハ保持機構８ｇに電圧を印加し、
ウェハ１０をウェハステージ８に静電吸着する。

【００８４】次に、ウェハステージ８の冷却ガス吹き出
し口８ｈからアルゴンガスを導入する。この時のウェハ
１０とウェハステージ８との間の空隙部でのアルゴンガ
スの圧力は、例えば１ｔｏｒｒ以上とすることができ
る。ここでウェハステージ８は冷媒温度調節器８ｂを用
いた熱交換と抵抗加熱ヒータ８ｅおよび熱電対８ｆとの
併用により、例えば−１０℃程度に温度を調整し保持す
ることが可能となっている。したがってアルゴンガスに
よる熱伝達の作用を利用し、例えばガス導入後６０秒以
降のウェハ１０の温度を、例えば０℃に保つことが可能
となっている。ウェハ１０の温度が所望の温度である０
℃に達した後、例えばウェハ１０の直径程度の間隔をあ
けてウェハ１０と対向に配置したＡｌターゲット６ａに
電力を印加し、Ａｌのスパッタリングを開始する。ここ
で、成膜条件は、例えば、圧力を0.５ｔｏｒｒ、電力密
度を１４Ｗ／ｃｍ² 、成膜速度を２００ｎｍ／ｍｉｎ、
成膜量を４００ｎｍとすることができる。ウェハ１０に
達したＡｌ等のターゲット粒子（クラスタ）は、ウェハ
１０上に堆積し、Ａｌ膜１６となるが、Ａｌターゲット
６ａとウェハ１０との間隔が広いため、Ａｌ等の粒子の
ウェハ１０への入射方向がウェハ１０に垂直な方向に偏
っているのに加えて、ウェハ１０の温度が低いため、Ａ
ｌ等のターゲット粒子の泳動や粒成長が抑制され、図７
に示すように開孔１４内部で良好な段差被覆性を示す。
なお、比較のため、一般的な高温成膜装置で堆積した場
合の高温スパッタＡｌ膜の段差被覆性を図９に示す。

【００８５】次に、ウェハ１０を真空搬送室１を介して
Ａｌスパッタ成膜室７に移動する。この時、真空搬送室
１およびＡｌスパッタ成膜室７の真空度と搬送時間は搬
送中に基板表面に入射する水や酸素などの不純物がＡｌ
膜表面を被覆してしまわないよう非酸化性雰囲気に制御
することができる。本実施の形態の場合の具体的な数値
として、真空度は例えば１×１０^-7ｔｏｒｒ以下、搬送
時間は例えば３０秒以内とすることができる。また、前
記のような非酸化性雰囲気とする代わりに水素ガスで置
換する等、還元性雰囲気とすることもできる。

【００８６】Ａｌスパッタ成膜室７ではウェハ１０をウ
ェハステージ１１に搭載した後、ウェハ保持機構１１ｇ
である静電チャックに電圧を印加し、ウェハ１０をウェ
ハステージ１１に静電吸着する。

【００８７】次に、ウェハステージ１１の温調用ガス吹
き出し口１１ｈからアルゴンガスを導入する。この時の
ウェハ１０とウェハステージ１１との間の空隙部でのア
ルゴンガスの圧力は、例えば１ｔｏｒｒ以上とすること
ができる。ここでウェハステージ１１は、抵抗加熱ヒー
タ１１ｅ、熱電対１１ｆ、冷却水１１ｄの併用により、
例えば４２０℃程度に温度を調整し保持することが可能
となっている。したがってアルゴンガスによる熱伝達の
作用を利用し、例えばガス導入後６０秒以降のウェハ１
０の温度を、例えば４００℃に保つことができる。

【００８８】ウェハ１０の温度が所望の温度である４０
０℃に達した後、例えばウェハ１０の直径の１／４程度
の間隔をあけてウェハ１０と対向に配置したＡｌターゲ
ット７ａに電力を印加し、Ａｌのスパッタリングを開始
する。ここで、成膜条件は、例えば、圧力を1.５ｔｏｒ
ｒ、電力密度を１４Ｗ／ｃｍ² 、成膜速度を２００ｎｍ
／ｍｉｎ、成膜量を４００ｎｍとすることができる。ウ
ェハ１０に達したＡｌ等のターゲット粒子（クラスタ）
はウェハ１０上に堆積しＡｌ膜１７となるが、ウェハ１
０の温度が高いため、Ａｌ等のターゲット構成原子の泳
動や粒成長が加速され、その結果開孔１４内部に流動性
を持ったＡｌ粒子が引きずりこまれ、図８に示すように
開孔１４内部を埋め込むことができる。

【００８９】なお、比較のため、一般的な成膜装置で堆
積した場合のＡｌ膜の開孔１４の埋込の状況を図１０に
示す。

【００９０】その後、ウェハ１０を真空搬送室１を介し
てＡｌスパッタ成膜室７からロードロック室２に移動す
る。ロードロック室２を大気開放してウェハ１０を取り
出し、本実施の形態の工程は終了する。

【００９１】上記した本実施の形態の半導体集積回路装
置およびその製造方法によれば、以下のような効果が得
られる。

【００９２】（１）ウェハ１０を０℃に保持しつつＴｉ
およびＡｌをスパッタ成膜するため、ウェハ１０の表面
の薄膜が堆積される被形成表面でのそれらスパッタ粒子
（クラスタ）の泳動が抑制され、表面被覆率が高く、表
面平坦性に優れたスパッタ薄膜を形成することができ
る。

【００９３】（２）ウェハ１０を０℃に保持しつつＴｉ
およびＡｌをスパッタ成膜した後に、ウェハ１０を４０
０℃程度の温度に保持した状態でＡｌスパッタ薄膜を形
成するため、開孔１４の埋込を行うことができる。

【００９４】（３）ウェハ１０の移動に際して、真空搬
送室１およびＡｌスパッタ成膜室７の真空度と搬送時間
を、搬送中に基板表面に入射する水や酸素などの不純物
がＡｌ膜１６の表面を被覆してしまわないよう非酸化性
雰囲気になるよう制御するため、Ａｌ膜１６の表面を酸
化することがない。

【００９５】（４）配線を構成するＴｉ膜１５およびＡ
ｌ膜１６が、基板を室温以下の温度に保持した状態でス
パッタ成膜されたものであるため、開孔１４内のＴｉ膜
１５およびＡｌ膜１６の表面被覆率が高く、表面平坦性
にも優れたものとなる。このため、半導体集積回路装置
の信頼性および製造歩留まりを高くすることができる。

【００９６】（５）配線を構成するＡｌ膜１７が、基板
を４００℃程度の高い温度に保持した状態でスパッタ成
膜されたものであるため、Ａｌ膜１７の導電率は十分高
く、半導体集積回路装置の基本的な性能を発揮すること
ができる。

【００９７】なお、Ａｌ膜１７を高温スパッタ成膜した
後、１００気圧以上の高い圧力、たとえば４００〜５０
０気圧の下に保持してもよい。その場合、開孔１４に存
在するボイドを前記圧力により押しつぶし、ボイドを消
滅させることができる。このとき、低温スパッタによる
Ｔｉ膜１５およびＡｌ膜１６の存在は、圧力および温度
の条件を緩和し、より低い圧力より低い温度でボイドを
消滅させることが可能となるという効果に寄与する。

【００９８】以上、本発明者によってなされた発明を発
明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は
前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を
逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでも
ない。

【００９９】たとえば、上記実施の形態では、低温スパ
ッタ膜としてＴｉ膜１５およびＡｌ膜１６を例示した
が、Ｔｉ膜１５の代わりにＴｉＮ膜、Ｔｉ／ＴｉＮ積層
膜あるいはＷ膜であってもよい。この場合、前記薄膜は
低温スパッタ膜であることを要する。また、Ｔｉ膜１５
は無くてもよい。この場合、低温スパッタＡｌ膜１６は
必要である。

【０１００】また、上記実施の形態では、高温スパッタ
によるＡｌ膜１７によって、開孔１４を埋め込む例を説
明したが、ＣＶＤ法を用いたＷ膜、ハイドープポリシリ
コン膜によって開孔１４を埋め込んでもよい。

【０１０１】上記低温スパッタ膜と開孔１４の埋込膜と
の組合せは、任意の組合せでよいことはいうまでもな
い。

【０１０２】また、Ａｌ膜１６，１７は、Ａｌ合金をタ
ーゲットとするＡｌ合金膜であってもよい。

【０１０３】以上の説明では、主として本発明者によっ
てなされた発明をその背景となった利用分野である半導
体集積回路装置とその製造方法に適用した場合について
説明したが、これに限定されるものではなく、たとえ
ば、一般の薄膜の形成全般にも適用することが可能であ
る。

【０１０４】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以
下のとおりである。

【０１０５】（１）基板を冷却することが可能となり、
表面被覆率が高く、表面平坦性に優れたスパッタ膜を得
ることができる。

【０１０６】（２）０℃以下においても凝固しない冷媒
を利用するため、基板を室温以下の温度に保持すること
ができ、より表面被覆率が高く、表面平坦性に優れたス
パッタ膜を形成することができる。

【０１０７】（３）冷媒を用いるため、装置の構造を簡
略化することができ、保守等が容易になることに加え、
高周波プラズマ等を生成する場合であっても、そのプラ
ズマ発生用の電界に影響されることなく温度制御が可能
になる。

【０１０８】（４）基板を加熱することができるので、
従来同様、導電率の高い金属スパッタ膜を得ることがで
きる。

【０１０９】（５）低温にてスパッタ膜を形成した後、
高温にてスパッタ膜を形成することができるため、開孔
の埋込の際にボイドを形成しない良好な埋込膜を形成す
ることができる。

【０１１０】（６）１００気圧以上の加圧機構を備える
ため、開孔等に堆積した埋込膜にボイドを有する場合で
あっても、この圧力の力学的な作用により、ボイドを消
滅させることが可能となる。

【０１１１】（７）基板の移動に際して、非酸化性雰囲
気になるよう制御するため、スパッタ膜が酸化されるこ
とを抑制することができる。

【０１１２】（８）表面被覆率が高く、表面平坦性にも
優れたスパッタ膜により開孔の接続が行われるので、半
導体集積回路装置の信頼性を高くすることができる。ま
た、半導体集積回路装置の製造プロセスの安定性が向上
し、半導体集積回路装置の良品率が向上する。さらに、
開孔の埋込みに際して、従来法に比べ1.５倍程度のアス
ペクト比の高い開孔の埋込みが達成でき、従来と同様の
アスペクト比の開孔の埋込みに適用して、製造歩留まり
を約２倍向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態である薄膜形成装置の成
膜室の一例を示した側面断面図である。

【図２】本発明の一実施の形態である薄膜形成装置の成
膜室の別の一例を示した側面断面図である。

【図３】本発明の一実施の形態である薄膜形成装置の一
例を示した上面図である。

【図４】本発明の一実施の形態である半導体集積回路装
置の一例を示した断面図である。

【図５】本発明の一実施の形態である半導体集積回路装
置の製造工程の一例を示した要部断面図である。

【図６】図５における開孔部分の製造工程の一例を示し
た要部断面図である。

【図７】図５における開孔部分の製造工程の一例を示し
た要部断面図である。

【図８】図５における開孔部分の製造工程の一例を示し
た要部断面図である。

【図９】開孔部分を一般的な高温薄膜形成装置を用いて
製造した場合の高温スパッタ膜の一例を示した要部断面
図である。

【図１０】開孔部分を一般的な高温薄膜形成装置を用い
て製造した場合の高温スパッタ膜の一例を示した要部断
面図である。

【符号の説明】

１ 真空搬送室 １ａ ロボットアーム １ｂ ゲートバルブ ２ ロードロック室 ３ 前処理加熱室 ４ 前処理スパッタエッチ室 ５ Ｔｉスパッタ成膜室 ５ａ Ｔｉターゲット ６ Ａｌスパッタ成膜室 ６ａ Ａｌターゲット ７ Ａｌスパッタ成膜室 ７ａ Ａｌターゲット ８ ウェハステージ ８ａ 流路 ８ｂ 冷媒温度調節器 ８ｃ 断熱材 ８ｄ 冷媒 ８ｅ 抵抗加熱ヒータ ８ｆ 熱電対 ８ｇ ウェハ保持機構 ８ｈ 冷却ガス吹き出し口 １０ ウェハ １０ａ 絶縁膜 １１ ウェハステージ １１ａ 流路 １１ｂ 冷却水温度調節器 １１ｄ 冷却水 １１ｅ 抵抗加熱ヒータ １１ｆ 熱電対 １１ｇ ウェハ保持機構 １１ｈ 温調用ガス吹き出し口 １２ 金属膜 １３ 層間絶縁膜 １４ 開孔 １５ Ｔｉ膜 １６，１７ Ａｌ膜

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 その内部の圧力を大気圧以下の圧力に保
   持することができる一または二以上の真空容器と、 前記真空容器内の気体を排気する排気手段と、 前記真空容器のうち少なくとも一の真空容器に一定流量
   のガスを供給するガス供給手段と、 前記ガスを排気し、前記一の真空容器内の圧力を所定の
   圧力に保持する圧力調整手段と、 前記ガスの全部もしくは一部をプラズマ状態にすること
   ができるプラズマ生成手段と、 前記プラズマに接し、薄膜の原料となる物質を主成分と
   する材料をその表面に有するターゲットと、 前記プラズマの作用によって前記ターゲットからスパッ
   タリングされた原料物質がその表面に堆積される基板を
   保持する基板ホルダと、 を含む薄膜形成装置であって、 前記基板ホルダは、前記基板を冷却する冷却機構を備え
   るものであることを特徴とする薄膜形成装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の薄膜形成装置であって、 前記冷却機構は、０℃以下においても凝固しない冷媒を
   利用して前記基板ホルダを冷却する機構を有するもので
   あり、前記基板を室温以下の温度に保持できるものであ
   ることを特徴とする薄膜形成装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の薄膜形成装置で
   あって、 前記真空容器のうち少なくとも１つの真空容器は、前記
   基板を加熱する基板加熱手段を備えていることを特徴と
   する薄膜形成装置。
4. 【請求項４】 請求項１、２または３記載の薄膜形成装
   置であって、 前記真空容器のうち少なくとも１つの真空容器は、その
   真空容器内の圧力を大気圧以上の加圧状態に保持するこ
   とができる加圧手段を備えていることを特徴とする薄膜
   形成装置。
5. 【請求項５】 請求項１、２、３または４記載の薄膜形
   成装置を用いて基板に薄膜を形成する薄膜形成方法であ
   って、 前記基板を室温以下の温度に保持した状態で、前記プラ
   ズマの作用により前記ターゲットから原料物質をスパッ
   タし、前記基板に薄膜を堆積する工程、を含むことを特
   徴とする薄膜形成方法。
6. 【請求項６】 請求項３または４記載の薄膜形成装置を
   用いて基板に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、 （ａ）前記基板を室温以下の温度に保持した状態で、前
   記プラズマの作用により前記ターゲットから原料物質を
   スパッタし、前記基板に薄膜を堆積する工程、 （ｂ）前記（ａ）の工程の後、前記基板を１００℃以上
   の温度に保持した状態で、前記プラズマの作用により前
   記ターゲットから原料物質をスパッタし、前記基板に薄
   膜を堆積する工程、 を含むことを特徴とする薄膜形成方法。
7. 【請求項７】 請求項４記載の薄膜形成装置を用いて基
   板に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、 （ａ）前記基板を室温以下の温度に保持した状態で、前
   記プラズマの作用により前記ターゲットから原料物質を
   スパッタし、前記基板に薄膜を堆積する工程、 （ｂ）前記（ａ）の工程の後、前記基板を１００℃以上
   の温度に保持した状態で、前記プラズマの作用により前
   記ターゲットから原料物質をスパッタし、前記基板に薄
   膜を堆積する工程、 （ｃ）前記（ｂ）の工程の後、前記基板を大気圧以上の
   加圧状態に保持する工程、 を含むことを特徴とする薄膜形成方法。
8. 【請求項８】 請求項６または７記載の薄膜形成方法で
   あって、 前記（ａ）の工程から（ｂ）の工程、または（ｂ）の工
   程から（ｃ）の工程に移行する際に、前記基板は、非酸
   化性または還元性雰囲気に置くことを特徴とする薄膜形
   成方法。
9. 【請求項９】 基板の主面に半導体素子を有し、前記半
   導体素子を覆う絶縁層に設けられた開孔を介して前記半
   導体素子または下層配線に接する配線を有する半導体集
   積回路装置であって、 前記配線は、 前記基板を室温以下の温度に保持した状態で、プラズマ
   の作用によるターゲットからの原料物質のスパッタリン
   グにより、前記基板に堆積された第１の導電層と、 前記基板を１００℃以上の温度に保持した状態で、プラ
   ズマの作用によるターゲットからの原料物質のスパッタ
   リングにより、前記基板に堆積された第２の導電層と、 を含む導電体からなることを特徴とする半導体集積回路
   装置。