JPH09228042A - 薄膜形成装置及び薄膜形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】成膜速度を犠牲にすることなくスパッタ粒子自
体の指向性を向上させると共に、大口径ウエハにも対応
できる薄膜形成装置及び薄膜形成方法を提供する。 【解決手段】ターゲット２１に電子ビームなどの放射線
を照射し、被成膜種をイオン化して放出する。また、タ
ーゲット２１と基板２２の間に電界又は磁界を生じさ
せ、ターゲットから発生したイオンを基板に向けるイオ
ン偏向手段を設け、イオンに対し基板と垂直方向に入射
する指向性を与える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スパッタ粒子の指
向性を高めた薄膜形成装置及び薄膜形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の設計ルールの微細化に伴
い、接続孔の径も縮小化している。ところが、絶縁耐圧
を確保するための層間絶縁膜の膜厚はほとんど変わって
いない。この結果、接続孔のアスペクト比が大きくなっ
てきている。このようなアスペクト比の高い接続孔で
は、配線材料、例えばアルミニウムのみで配線をスパッ
タリングで形成すると、接続孔段差部におけるアルミニ
ウム膜の被覆性が良くないため、接続孔で導通不良を起
こし、半導体装置の信頼性が低下する。

【０００３】この問題を解決する配線形成方法として、
ブランケットタングステン−ＣＶＤ法が提案されてい
る。この方法は、接続孔を絶縁膜上に形成した後、接続
孔内部と共に、絶縁膜上にもタングステン膜を形成し、
その後タングステン膜をエッチバックして接続孔内部の
みにタングステン膜を残し、接続孔をタングステンで埋
める方法である。

【０００４】しかし、ブランケットタングステン法を用
いても、タングステンの密着性向上のため、タングステ
ンの下地としてＴｉＮなどの密着層を成膜する必要があ
る。また、基板の珪素が酸化してメタル配線部と接触部
の抵抗が上昇し、接続孔の導通不良が発生するのを防止
するため、基板上にＴｉを成膜し、基板上の酸化珪素を
還元する必要がある。このように、アスペクト比の高い
接続孔にＴｉやＴｉＮを接続孔の底部を確実に覆うよう
に成膜する必要がある。

【０００５】ＴｉやＴｉＮの成膜にはスパッタリング法
の他に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）等の方
法が提案されているが、半導体装置製造に関しては、実
用化が難しい。従って、現在、半導体装置のメタル成膜
には依然スパッタリング法が用いられているが、接続孔
におけるカバレッジ改善のため、スパッタ粒子の指向性
を高める目的で、主に、コリメーター法と、遠距離スパ
ッタリングの技術が提案されている。

【０００６】スパッタリングに用いる装置の基本構成を
示す図４で、まず、通常のスパッタリングについて説明
すると、チャンバ１０内に対向配置したターゲット２１
と基板２２に、アルゴンガス等の不活性ガス中で、電源
から交流電圧を印加する。これにより、イオン化したア
ルゴンガスなどがターゲットに衝突し、ターゲットを構
成する原子又は分子をスパッタし、飛び出したスパッタ
粒子が基板に付着して成膜するものである。このため、
スパッタ粒子は様々な角度で基板に到達する。

【０００７】コリメータ法は、図５に示すように、ター
ゲット２１と基板２２の間にコリメータと呼ばれる蜂の
巣状に多数の穴のあいた板６０を挿入し、ターゲットか
ら種々の方向に飛び出したスパッタ粒子のうち、指向性
の悪いスパッタ粒子をそれに付着させ、基板に垂直な成
分だけを取り出して、選択的に成膜に用いるものであ
る。基板２２に届くスパッタ粒子の指向性は確かに向上
し、コリメータスパッタリングによる接続孔埋込率は向
上する。

【０００８】また、遠距離スパッタリング法は、図６に
示すように、ターゲット２１と基板２２間の距離を通常
のスパッタリングより延ばし、指向性の悪いスパッタ粒
子をチャンバー側壁に付着させ、指向性の良好なスパッ
タ粒子を選択的に基板２２に付着させる技術である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、コリメ
ータ法では、指向性の悪いスパッタ粒子をコリメータに
付着させ除去しているため、通常スパッタ法に対して成
膜速度がかなり低下するだけでなく、コリメータの穴が
目詰まりをおこすために、コリメータの交換が必要にな
る。また、コリメータに付着したスパッタ粒子が剥が
れ、基板の上に落ち、ダストの原因となる。

【００１０】また、遠距離スパッタ法では、コリメータ
のように目詰まりをおこすおそれはなく、交換の必要は
ないが、成膜速度はやはりかなり低下する。このため、
指向性のよいスパッタ粒子を選別して基板に付着させる
のではなく、スパッタ粒子自体の指向性を向上させ、接
続孔の被覆率を落とさずに、通常のスパッタと同程度の
成膜速度を達成することが求められている。

【００１１】一方、半導体装置製造に用いられているシ
リコンウエハは徐々に大口径化し、現在では８インチウ
エハも実用化され、近い将来１２インチウエハが主流に
なることは確実視されている。このような大口径のウエ
ハの面内を均一に成膜する必要がある。現在、８インチ
シリコンウエハまでは、スパッタのターゲットを大口径
化することで対応を行ってきたが、スパッタ装置のスペ
ース効果も限界であり、ターゲットを大口径化すること
なくウエハ内を均一に成膜することが求めれている。

【００１２】本発明は、上記事情に鑑みなされたもの
で、成膜速度を犠牲にすることなくスパッタ粒子自体の
指向性を向上させると共に、大口径ウエハにも対応する
ことができる薄膜形成装置及び薄膜形成方法を提供する
ことを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、次の薄膜形成装置及び薄膜形成方法を提供
する。 （１）内部を減圧することができるチャンバと、該チャ
ンバ内に配設され、薄膜形成材料となるターゲットと、
放射線を照射する放射線発生装置と、上記ターゲットと
対向して配され、薄膜が形成される基板と、上記ターゲ
ットと基板の間に電界又は磁界を生じさせ、ターゲット
から発生したイオンを基板に向けるイオン偏向手段と
を備えることを特徴とする薄膜形成装置。 （２）放射線発生装置が電子ビームを照射することがで
きる電子銃である上記（１）記載の薄膜形成装置。 （３）電子ビームでターゲットを走査するようにした電
子銃を備える上記（２）記載の薄膜形成装置。 （４）イオン偏向手段が、ターゲットと基板との間に電
圧を印加する電圧印加装置である上記（１）記載の薄膜
形成装置。 （５）ターゲットが陽極であり、基板が陰極である上記
（４）記載の薄膜形成装置。 （６）ターゲットの上方に磁石を備え、ターゲットに電
界と直交するような磁界を配置する上記（４）記載の薄
膜形成装置。 （７）ターゲットと薄膜が形成される基板とを対向配置
し、これらの間に電界又は磁界を与え、該ターゲットに
放射線を照射してターゲットを構成する材料をイオン化
させ、上記電界又は磁界によりイオンを基板側に偏向さ
せながら該基板に付着させることを特徴とする薄膜形成
方法。 （８）放射線が電子ビームである上記（７）記載の薄膜
形成方法。 （９）電子ビームがターゲットを走査する上記（８）記
載の薄膜形成方法。 （１０）ターゲット側に陽極、基板側に陰極を印加して
イオンを偏向させる上記（７）記載の薄膜形成方法。 （１１）ターゲットに電界と直交するような磁界を配置
して行う上記（７）記載の薄膜形成方法。

【００１４】本発明の薄膜形成装置は、ターゲットに電
子ビームなどの放射線を照射し、被成膜種をイオン化し
て放出する。被成膜種が、例えばＴｉであれば、Ｔ
ｉ⁺ 、Ｔｉ²⁺等の様にイオン化してターゲットから放出
する。また、ターゲットと基板の間に電界又は磁界を生
じさせ、ターゲットから発生したイオンを基板に向ける
イオン偏向手段を設けているので、イオンに対し基板と
垂直方向に入射する指向性を与えることができる。

【００１５】従って、従来のように指向性の良いイオン
を選別するのではなく、発生した全てのイオンを基板に
向けて成膜させることが可能であるため、成膜速度が低
下することなく、段差などへの被覆率が向上する。ま
た、ターゲット全面から放出されるイオンが指向性良く
基板に成膜されるので、ウエハ面内均一性が向上する。
このウエハ面内均一性向上により、小さなターゲットを
用いても大口径ウエハに薄膜形成が可能になる。即ち、
現在、８インチウエハに対しては、１３インチ程度のタ
ーゲットが用いられている。現在のスパッタ技術では、
指向性が悪く、ウエハエッジが薄くなることが原因であ
る。これに対し、本発明を用いれば、より小さな、例え
ば９インチ程度のターゲットでも十分な面内均一性が実
現でき、今後のウエハの大口径化に対しても、例えば１
２インチウエハに対しても、現状用いられている１３イ
ンチ程度のターゲットで実現が可能となる。

【００１６】本発明の薄膜形成装置の放射線照射装置と
して、電子銃を用い、電子ビームをターゲットに照射し
てターゲットの被成膜種をイオン化する場合、ビーム径
を絞って、高密度なビームを実現するために、電子ビー
ムをターゲット上を走査するようにすることが好まし
い。

【００１７】更に、イオンを密集させるために、ターゲ
ット上方に磁石を配置して、ターゲット上に電界と直交
するような磁界を配置し、イオンを集散させることが好
ましい。また、本発明の薄膜形成方法は、ターゲットと
薄膜が形成される基板とを対向配置し、これらの間に電
界又は磁界を与え、該ターゲットに放射線を照射してタ
ーゲットを構成する材料をイオン化させ、上記電界又は
磁界によりイオンを基板側に偏向させながら該基板に付
着させるようにしたので、発生した全てのイオンを基板
に向けて成膜させることが可能であるため、成膜速度が
低下することなく、段差などへの被覆率が向上する。ま
た、ターゲット全面から放出されるイオンが指向性良く
基板に成膜されるので、ウエハ面内均一性が向上し、こ
のウエハ面内均一性向上により、小さなターゲットを用
いても大口径ウエハに薄膜形成が可能になる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、具体的に図面を参照しながら説明するが、本発明
は、下記の実施形態に限定されるものではない。図１
に、本発明の薄膜形成装置の基本構成図を示す。真空装
置などで内部を減圧することができ、また、不活性ガス
などを導入、排出することができるチャンバー１０内に
ターゲット２１と薄膜が形成される基板２２とが対向配
置されている。ターゲット２１と基板２２の間には直流
電源３０が接続され、ターゲット２１を陽極、基板２２
を陰極としている。また、チャンバー１０内にターゲッ
ト２１に向けられた電子銃４０が配され、電子ビームＥ
をターゲット２１に対して照射できるようになってい
る。

【００１９】ターゲット２１の材料としては、例えば、
Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｓｉ、Ｃ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ及
びその化合物を例示することができる。ターゲット２１
の形状、大きさなどは、基板の大きさなどに応じて適宜
選択することができる。また、ターゲット２１と基板２
１間の離間距離も適宜選択することができ、これらの間
に印加する電圧は、例えば５〜５００ｋｖ程度とするこ
とができる。電子銃４０の加速電圧は、例えば２〜２０
００ｋｖ程度とすることができる。電子銃から放出され
る電子ビームをターゲット上を走査するようにすること
が好ましく、これによりビーム径を絞って、高密度な電
子ビームをターゲットに当てることができる。なお、電
子銃以外の放射線発生装置も用いることができ、例えば
ｘ線、陽イオン発生装置等種々のものを使用することが
できる。また、放射線の照射方向は、ターゲットに限ら
ない。例えば、ターゲットと基板の間の空間に電子ビー
ムを照射して、ターゲットから放出されたイオン化して
いない被成膜種分子（原子）に電子ビームを当てて、イ
オン化するようにしても良い。この場合、ターゲット
は、通常の２極スパッタリング法と同様に、陰極とする
ことができる。チャンバ内のガス圧は、アルゴンガスな
どの不活性ガスを用いて適宜選定することができる。

【００２０】このような薄膜形成装置を用いて、シリコ
ンウエハ等の基板に薄膜を形成する方法を説明する。タ
ーゲットと基板とをチャンバ内に配置し、チャンバ内を
所定の圧力のガスを導入し、ターゲットと基盤間に直流
電源から電圧を印加しながら、電子銃から電子ビームを
ターゲットに当てる。これにより、ターゲットからでる
原子又は分子をイオン化し、生じたイオンをターゲット
と基盤間の電界により基板側に偏向させ、基板上に被成
膜種を付着させることができる。コリメータ法や遠距離
法のようなスパッタ粒子を選別する方法と異なり、スパ
ッタ粒子自体の指向性を向上させているため、成膜速度
の低下はなく、効率よく成膜することができる。 ［実施例１］図２に示す薄膜形成装置を用い、Ｔｉの薄
膜をシリコンウエハ（基板）上に形成する例について説
明する。

【００２１】図２に示した薄膜形成装置１Ａは、図１の
薄膜形成装置１に対して、薄膜を形成する基板２２を電
極である基盤２３に載置する点が相違する。電子ビーム
源には電子銃４０を用いている。ターゲットとしては、
Ｔｉターゲット２１を用いる。ターゲット２１と基盤２
３の離間距離は１００ｍｍ程度である。ターゲット２１
の直径は９インチであり、Ｔｉを成膜するシリコンウエ
ハ２２の直径は８インチである。ターゲット２１と基盤
２３間に５０ｋｖの電圧を印加した。電子銃の使用条件
は、ビームサイズが１００ｍｍ×１００ｍｍ、加速電圧
が２００ｋｖである。電子ビームをターゲット上を１０
ｍｍ／ｓｅｃで走査し、全ターゲット上を走査した。

【００２２】電子ビームをターゲットに照射することに
より、ターゲットから放出される被成膜種をＴｉ⁺ 、Ｔ
ｉ²⁺等の様にイオン化し、ターゲットと基盤間の電界に
より、このプラスイオンを基盤側に偏向させ、接続孔に
対して、良好な被覆率を有するＴｉ膜を、通常のスパッ
タリングと同様の成膜速度で成膜することができた。 ［実施例２］図３に示す薄膜形成装置を用い、磁界によ
りイオンを密集させ、アルミニウムの成膜速度を向上さ
せた例について説明する。この薄膜形成装置１Ｂは、図
２の薄膜形成装置１Ａに対して、ターゲット上方に、磁
石５０を設け、ターゲットに磁界を配置し、発生したイ
オンをより高密度に凝集させ、成膜速度を上昇させる構
造を有する。

【００２３】ターゲット２１としては、アルミニウムの
ターゲットを選択する。ターゲット２１と基盤２３の離
間距離は、１００ｍｍ程度である。ターゲット２１と基
盤２３間に５０ｋｖの電圧を印加する。基盤２３上にシ
リコンウエハ２２を設置し、シリコンウエハ２２にアル
ミニウムの薄膜を形成する。ターゲット２１の直径は９
インチ、シリコンウエハ２２の直径は８インチである。
電子銃４０の使用条件は、ビームサイズが１００ｍｍ×
１００ｍｍ、加速電圧が２００ｋｖである。また、電子
ビームをターゲット上を１０ｍｍ／ｓｅｃで走査し、全
ターゲット上を走査するようにした。ターゲット上方に
は永久磁石５０を配置し、図３に示すような電界と直交
し、ターゲットを包み込むような磁界を配置してターゲ
ット上に発生したイオンを凝集させて、指向性を与えて
基盤への付着を更に良好にしている。なお、磁石の配置
は図３のものに限らず、また、電磁石であっても良い。

【００２４】電子銃から電子ビームをターゲットに照射
し、ターゲットから発生する被成膜原子（分子）をイオ
ン化し、発生したイオンを磁界により密集させつつ、タ
ーゲットと基盤間の電界により、イオンを基盤側に偏向
させてアルミニウムを基板に成膜した。

【００２５】これにより、シリコンウエハに形成された
接続孔に対して、良好な被覆率を有するアルミニウム膜
を、通常のスパッタリングと同様の成膜速度で成膜する
ことができた。上記例では、ターゲットと基盤間に電圧
を印加し、電界によりイオンの偏向を行ったが、磁界を
配置し、磁界によりイオンを偏向することも、勿論可能
である。

【００２６】

【発明の効果】本発明の薄膜形成装置は、カバレッジの
向上、大口径ウエハでの膜厚均一性が良好である。ま
た、本発明の薄膜形成方法によれば、成膜速度を犠牲に
することなく、カバレッジが向上した薄膜を形成するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の薄膜形成装置の構成を示す概略図であ
る。

【図２】実施例１で用いた本発明の薄膜形成装置の構成
を示す概略図である。

【図３】実施例２で用いた薄膜形成装置の構成を示す概
略図である。

【図４】従来のスパッタリング装置の構成を示す概略図
である。

【図５】コリメータを用いるスパッタリング装置の構成
を示す概略図である。

【図６】遠距離スパッタリングに用いる装置の構成を示
す概略図である。

【符号の説明】

１０…チャンバ、２１…ターゲット、２２…基板、４０
…電子銃

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部を減圧することができるチャンバと、 該チャンバ内に配設され、薄膜形成材料となるターゲッ
   トと、 放射線を照射する放射線発生装置と、 上記ターゲットと対向して配され、薄膜が形成される基
   板と、 上記ターゲットと基板の間に電界又は磁界を生じさせ、
   ターゲットから発生したイオンを基板に向けるイオン偏
   向手段とを備えることを特徴とする薄膜形成装置。
2. 【請求項２】放射線発生装置が電子ビームを照射するこ
   とができる電子銃である請求項１記載の薄膜形成装置。
3. 【請求項３】電子ビームでターゲットを走査するように
   した電子銃を備える請求項２記載の薄膜形成装置。
4. 【請求項４】イオン偏向手段が、ターゲットと基板との
   間に電圧を印加する電圧印加装置である請求項１記載の
   薄膜形成装置。
5. 【請求項５】ターゲットが陽極であり、基板が陰極であ
   る請求項４記載の薄膜形成装置。
6. 【請求項６】ターゲットの上方に磁石を備え、ターゲッ
   トに電界と直交するような磁界を配置する請求項４記載
   の薄膜形成装置。
7. 【請求項７】ターゲットと薄膜が形成される基板とを対
   向配置し、これらの間に電界又は磁界を与え、該ターゲ
   ットに放射線を照射してターゲットを構成する材料をイ
   オン化させ、上記電界又は磁界によりイオンを基板側に
   偏向させながら該基板に付着させることを特徴とする薄
   膜形成方法。
8. 【請求項８】放射線が電子ビームである請求項７記載の
   薄膜形成方法。
9. 【請求項９】電子ビームがターゲットを走査する請求項
   ８記載の薄膜形成方法。
10. 【請求項１０】ターゲット側に陽極、基板側に陰極を印
    加してイオンを偏向させる請求項７記載の薄膜形成方
    法。
11. 【請求項１１】ターゲットに電界と直交するような磁界
    を配置して行う請求項７記載の薄膜形成方法。