JPH09272972A - Formation of compound film - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、反応性スパッタ
リングによる、化合物膜の形成方法に関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for forming a compound film by reactive sputtering.
【０００２】[0002]
【従来の技術】半導体デバイスの高集積化や微細化に伴
い、配線の密度も増加し多層化が進んでいる。多層配線
構造の一つとして、ＴｉＮ（窒化チタン）等からなる化
合物膜の層を、バリアメタルとして下層配線に用いた構
造が知られている。デバイスの微細化に伴い、多層配線
のコンタクト孔も微細になっていくため、このように微
細なコンタクト孔部分における配線層のステップカバレ
ージを向上させるために、次のＩおよびIIに示すような
特殊な技術が不可欠となっている。これらはいずれも、
従来既知のスパッタ装置に、反応ガスと必要ならば不活
性ガスを含む放電ガスを供給してプラズマを発生させる
ことにより、サセプタ（基板ホルダーともいう。）に搭
載した基板上に化合物膜を形成する方法、すなわち反応
性スパッタリングにより化合物膜を形成する方法であ
る。ここでいう化合物膜とは、反応ガスとターゲットを
構成する材料とが反応してできる化合物膜のことであ
る。2. Description of the Related Art With the high integration and miniaturization of semiconductor devices, the density of wiring has increased and the number of layers has increased. As one of the multilayer wiring structures, a structure in which a compound film layer made of TiN (titanium nitride) or the like is used as a barrier metal for lower layer wiring is known. With the miniaturization of devices, the contact holes of the multilayer wiring are becoming finer. Therefore, in order to improve the step coverage of the wiring layer in such a fine contact hole portion, the special holes shown in the following I and II are used. Technology is indispensable. These are all
A compound gas is formed on a substrate mounted on a susceptor (also referred to as a substrate holder) by supplying a discharge gas containing a reaction gas and, if necessary, an inert gas to a conventionally known sputtering device to generate plasma. Method, that is, a method of forming a compound film by reactive sputtering. The compound film here is a compound film formed by the reaction of the reaction gas and the material forming the target.
【０００３】Ｉ．文献：VMIC Conference,1992,pp.310
に開示されている技術のように、ターゲットとサセプタ
との間に、複数の貫通孔がはちの巣状に配列されたコリ
メート板が挿入してあるスパッタ装置を用いる。I. Reference: VMIC Conference, 1992, pp.310
As in the technique disclosed in (1), a sputtering apparatus in which a collimator plate having a plurality of through holes arranged in a honeycomb shape is inserted between a target and a susceptor is used.
【０００４】II．コリメート板を用いる代わりに、ター
ゲットとサセプタとの距離を通常よりも長い距離に設定
したスパッタ装置を用いる。いわゆる遠距離スパッタリ
ングといわれる方法である。II. Instead of using the collimator plate, a sputtering device in which the distance between the target and the susceptor is set to be longer than usual is used. This is a method called so-called long-distance sputtering.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】上述のＩおよびIIの技
術は、いずれも微細なコンタクト孔における配線層のス
テップカバレージが向上し、コンタクト不良を低減させ
ることができる方法の一つとして、良く知られている。The above techniques I and II are well known as one of the methods capable of improving the step coverage of the wiring layer in the fine contact hole and reducing the contact failure. Has been.
【０００６】しかし、上述のＩの文献に開示の技術によ
れば、コリメート板の位置は、ターゲットとサセプタと
の間である。このため、基板上だけでなく、本来ならば
膜を形成する必要のない、コリメート板のターゲット側
の上面（貫通孔を除く部分）にも化合物膜が堆積してし
まう。試料を次々に処理していくと、コリメート板の上
面に堆積された化合物膜の膜厚が厚くなっていく。そし
て、化合物膜の残留応力に起因するものと考えられる
が、ついにはこの膜が剥がれ出し、複数のパーティクル
となって基板上に付着する。このパーティクルが、例え
ばその後に配線を形成する予定の二つの箇所にまたがっ
て付着してしまうと、実際に配線を形成する時のパター
ンニング（ホトリソグラフィ・エッチング）がうまく行
かず、二本の配線間がショートしてしまうおそれがあ
る。このため、歩留の低下が懸念されていた。However, according to the technique disclosed in the above-mentioned document of I, the position of the collimating plate is between the target and the susceptor. For this reason, the compound film is deposited not only on the substrate but also on the target-side upper surface of the collimator plate (the portion excluding the through holes) where it is not necessary to form the film. As the samples are processed one after another, the film thickness of the compound film deposited on the upper surface of the collimator plate increases. Then, it is considered that this is due to the residual stress of the compound film, but finally this film peels off and becomes a plurality of particles and adheres to the substrate. If these particles adhere to, for example, two locations where wiring is to be formed later, patterning (photolithography / etching) at the time of actually forming the wiring will not be successful and two wirings will not be formed. There is a risk of short-circuiting between them. Therefore, there is a concern that the yield may be reduced.
【０００７】また、上述したＩおよびIIの化合物膜の形
成方法によれば、いずれも化合物膜の形成のためにスパ
ッタ装置に供給する反応ガスの圧力は、一般的に２ｍＴ
ｏｒｒ以上の高い圧力が必要とされる。このため、今後
さらに微細化が進み、コンタクト孔のアスペクト比（コ
ンタクト孔の高さと径の比）が高くなっていくと、化合
物膜のカバレージがますます悪くなるおそれもある。こ
れは、高いガス圧で膜を形成する程、ガス分子の衝突・
散乱が激しくなり、これが妨げとなって基板に垂直に入
射するスパッタ粒子（ターゲットから飛び出すスパッタ
粒子）が少なくなるためである。Further, according to the above-described methods of forming a compound film of I and II, the pressure of the reaction gas supplied to the sputtering apparatus for forming the compound film is generally 2 mT.
A high pressure above orr is required. For this reason, if the aspect ratio of the contact hole (ratio of the height to the diameter of the contact hole) becomes higher due to further miniaturization in the future, the coverage of the compound film may become worse. The higher the gas pressure is, the more the film is formed.
This is because scattering becomes more intense, which hinders this and reduces the number of sputtered particles that vertically enter the substrate (sputtered particles that fly out from the target).
【０００８】その上、化合物膜を形成するときの反応ガ
スの圧力の設定という点においても、以下のような問題
があった。図４は、通常のスパッタ装置を用い、放電ガ
ス全体の圧力（全圧）を一定として、用いる反応ガスの
圧力（分圧）を変化させながら反応性スパッタリングを
行うことにより膜を形成していった場合の、膜の体積速
度の相対的な変化の概形（概略的な形状）を示す特性図
であり、縦軸に膜の堆積速度（基板上に膜が堆積してい
く速度）をとり、横軸に全圧に対する反応ガスの圧力
（分圧）をとって示してある。このような特性図は、通
常、ターゲット側電極（カソード）に電力を供給しなが
ら成膜を行うことにより得られるものである。ここで
は、放電ガスとして一般的に用いられる、反応ガスと不
活性ガスとの混合ガスを用いた場合の例として説明をす
る。図４からも理解できるように、反応ガスの圧力があ
る程度低い範囲（図中の（α））のときまでは、膜の堆
積速度は相対的に見て非常に速い。しかし、Ｐc1点を境
に反応ガスの圧力がその範囲（α）を超えて高くなって
いくと、堆積速度は急激に低下してＰc2点に達し、Ｐc2
点を境に緩やかに低下、あるいはほぼ安定する範囲
（β）となる。ここで、Ｐc1点以下の範囲（α）の反応
ガス圧で膜を形成した場合は、化合物膜が形成されず、
主にターゲットを構成する材料の堆積膜が形成される。
例えば、ターゲットがＴｉ、反応ガスがＮ2 の場合、範
囲（α）の反応ガス圧で膜を形成すると、ＴｉＮ膜は形
成されず、Ｎを含んだＴｉ膜が形成される。一方、Ｐc2
以上の高い圧力の範囲（β）でガスを供給すると、Ｔｉ
Ｎ膜（化合物膜）が形成される。堆積速度が低下するの
は、ターゲットの窒化によるものと考えられている。従
来、反応性スパッタリングで化合物膜を形成する場合
は、抵抗率の低い良質の膜を得るために、十分高い反応
ガス圧（図４の範囲（β）の反応ガス圧）で形成されて
きた。このため、膜を形成する速度を速くしようとして
も限界があり、量産性に乏しいという問題点があった。In addition, there are the following problems in setting the pressure of the reaction gas when forming the compound film. In FIG. 4, a film is formed by carrying out reactive sputtering using an ordinary sputtering apparatus while changing the pressure (partial pressure) of the reaction gas used while keeping the pressure (total pressure) of the entire discharge gas constant. FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relative shape (rough shape) of the relative change in the volumetric velocity of the film, where the vertical axis represents the film deposition rate (the rate at which the film is deposited on the substrate). The horizontal axis indicates the pressure (partial pressure) of the reaction gas with respect to the total pressure. Such a characteristic diagram is usually obtained by performing film formation while supplying power to the target side electrode (cathode). Here, an example will be described in which a mixed gas of a reaction gas and an inert gas, which is generally used as a discharge gas, is used. As can be understood from FIG. 4, the deposition rate of the film is relatively fast as far as the pressure of the reaction gas is in a certain low range ((α) in the figure). However, when the pressure of the reaction gas boundary point Pc is gradually increased beyond the range (alpha), the deposition rate rapidly decreases to reach the two-point Pc, Pc 2
It becomes a range (β) that gradually decreases or is almost stable at the point. Here, when the film is formed with the reaction gas pressure within the range (α) of Pc 1 point or less, the compound film is not formed,
A deposited film of the material that mainly constitutes the target is formed.
For example, when the target is Ti and the reaction gas is N 2 , when the film is formed with the reaction gas pressure in the range (α), the TiN film is not formed, but the Ti film containing N is formed. On the other hand, Pc 2
When gas is supplied in the above high pressure range (β), Ti
An N film (compound film) is formed. The decrease in the deposition rate is believed to be due to the target nitriding. Conventionally, when forming a compound film by reactive sputtering, it has been formed at a sufficiently high reaction gas pressure (reaction gas pressure in the range (β) in FIG. 4) in order to obtain a high-quality film having a low resistivity. Therefore, there is a limit in trying to increase the film forming speed, and there is a problem that mass productivity is poor.
【０００９】したがって、配線間のショートやコンタク
ト不良等の発生を抑えることができ、しかも膜形成速度
が速く量産性の高い、化合物膜の形成方法の出現が望ま
れる。Therefore, it is desired to develop a compound film forming method capable of suppressing the occurrence of short circuits between wirings, defective contacts, etc., and having a high film forming speed and high mass productivity.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】このため、この発明の第
１の化合物膜の形成方法（以下、第１の方法と称するこ
とがある。）によれば、ターゲットとサセプタとの間に
コリメート板を挿入したスパッタ装置に、反応ガスと必
要ならば不活性ガスを含む放電ガスを供給して、反応性
スパッタリングにより、サセプタに搭載した基板上に化
合物膜を形成するに当たり、次のａ）およびｂ）の特徴
を有する。なお、ここでいう不活性ガスとは、通常のス
パッタに用いられる、希ガスのことである。一般的に用
いられるＡｒ（アルゴン）の他、Ｋｒ（クリプトン）、
Ｘｅ（キセノン）、Ｎｅ（ネオン）、およびＲｎ（ラド
ン）もスパッタ用の不活性ガスとして用いることができ
る。Therefore, according to the first compound film forming method of the present invention (hereinafter sometimes referred to as the first method), the collimating plate is provided between the target and the susceptor. When a compound gas is formed on the substrate mounted on the susceptor by reactive sputtering by supplying a discharge gas containing a reactive gas and an inert gas if necessary, the following a) and b ). The inert gas referred to here is a rare gas used in ordinary sputtering. In addition to commonly used Ar (argon), Kr (krypton),
Xe (xenon), Ne (neon), and Rn (radon) can also be used as an inert gas for sputtering.
【００１１】ａ）初期設定として、ターゲット側電極の
みに、実際に化合物膜を形成するときの電圧を印加し、
および、反応ガスの圧力を化合物膜が形成されない範囲
内の値に設定する。A) As an initial setting, a voltage for actually forming a compound film is applied only to the target side electrode,
Also, the pressure of the reaction gas is set to a value within the range in which the compound film is not formed.
【００１２】ｂ）初期設定の反応ガスの圧力の値を保持
しながら、高周波電圧をサセプタに印加することにより
基板に負のバイアスを誘起させた状態で、化合物膜を成
膜する。B) A compound film is formed in a state where a negative bias is induced in the substrate by applying a high frequency voltage to the susceptor while maintaining the initial value of the pressure of the reaction gas.
【００１３】まず、上記のａ）に示すように、実際に膜
を形成するときの反応ガス圧を、予め設定しておく必要
がある。このためには、すでに説明してある図４に示す
特性図の範囲（α）の値を調べれば良い。スパッタリン
グの最も基本となるパラメータは、ターゲット側電極に
供給する電力および反応ガスの圧力であるため、実際に
化合物膜を形成する時の電圧をターゲット側電極に印加
しながら、また、スパッタ装置に送り込む反応ガスの圧
力を変化させながら、基板上に膜を形成し、範囲（α）
の値を調べる。そして、実際に膜を形成する時の反応ガ
スのガス圧を、この範囲内の値（＞０（ゼロよりも大き
い））に設定する。用いるスパッタ装置によってもこの
値は変わるので、ゼロよりも大きい好適な値に設定する
とよい。本来ならば、反応性スパッタリングにおける反
応ガスの圧力は図４における範囲（β）の値でなければ
化合物膜を形成することはできないが、上記のｂ）に示
すように、膜形成時にターゲット側電極のみならずサセ
プタにも高周波電圧を印加すると、セルフバイアス効果
により基板に負の自己バイアスが誘起され、化合物膜を
成膜することができる。セルフバイアス効果とは、プラ
ズマ中のイオンと電子との動きやすさの差によって、サ
セプタ側に直流的な負のバイアスが加わることをいう。
また、ここでいう高周波電圧は、１３．５６Ｈz の割当
周波数の電圧のことである。ターゲットをＴｉ、反応ガ
スをＮ2 、形成したい化合物膜をＴｉＮ膜として説明す
ると、ターゲット電極に供給された電力により発生した
プラズマ中のイオンのうち主としてＮ2 +が、基板側に発
生した負のバイアスにより、基板に堆積されたＴｉ膜中
に引き込まれる。このため、結果的にＴｉＮ膜が形成す
ることができる。First, as shown in a) above, it is necessary to preset the reaction gas pressure when actually forming a film. For this purpose, the value of the range (α) in the characteristic diagram shown in FIG. 4 which has already been described may be investigated. Since the most basic parameters of sputtering are the power supplied to the target electrode and the pressure of the reaction gas, the voltage for actually forming the compound film is sent to the sputtering device while applying the voltage to the target electrode. A film is formed on the substrate while changing the pressure of the reaction gas, and the range (α)
Check the value of. Then, the gas pressure of the reaction gas when the film is actually formed is set to a value within this range (> 0 (greater than zero)). Since this value also changes depending on the sputtering apparatus used, it is preferable to set it to a suitable value larger than zero. Originally, the compound gas cannot be formed unless the reactive gas pressure in the reactive sputtering is within the range (β) in FIG. 4, but as shown in b) above, the target-side electrode is formed during the film formation. When a high frequency voltage is applied to the susceptor as well, a negative self-bias is induced in the substrate due to the self-bias effect, and a compound film can be formed. The self-bias effect means that a negative DC bias is applied to the susceptor side due to the difference in easiness of movement between ions and electrons in plasma.
The high frequency voltage mentioned here is a voltage having an assigned frequency of 13.56 Hz. When the target is Ti, the reactive gas is N 2 , and the compound film to be formed is a TiN film, mainly N 2 + of the ions in the plasma generated by the electric power supplied to the target electrode are negative ions generated on the substrate side. It is drawn into the Ti film deposited on the substrate by the bias. Therefore, the TiN film can be formed as a result.
【００１４】このように、ターゲットが窒化されない範
囲内の値（＞０）の反応ガス圧を供給して膜を形成する
ことができると、図４からも理解できるように膜の堆積
速度が速くなり、従来に比べて膜形成に要する時間を短
くすることができる。As described above, if the film can be formed by supplying the reaction gas pressure within the range where the target is not nitrided (> 0), the film deposition rate is high, as can be understood from FIG. Therefore, the time required for film formation can be shortened as compared with the conventional case.
【００１５】また、化合物膜が形成されない範囲の反応
ガス圧は、従来に比べて低い。このため、Ａｒガスのよ
うな不活性ガスとの混合ガスを放電ガスとして用いた場
合も、反応ガスの分圧が低くなるために、放電ガスの全
体の圧力も従来に比べて低く（２ｍＴｏｒｒよりも小さ
く）できることになる。よって、ガス分子の衝突・散乱
も少なくなり、基板に垂直に入射するスパッタ粒子が多
くなる。Further, the reaction gas pressure in the range where the compound film is not formed is lower than in the conventional case. For this reason, even when a mixed gas with an inert gas such as Ar gas is used as the discharge gas, the partial pressure of the reaction gas is low, so that the overall pressure of the discharge gas is lower than that of the conventional one (2 mTorr or more). Can be made smaller). Therefore, the collision / scattering of gas molecules is reduced, and the number of sputtered particles that are vertically incident on the substrate is increased.
【００１６】また、化合物膜は自己バイアスが誘起され
る基板のみに成膜されるため、コリメート板の上面に
は、ターゲットを構成する材料からなる膜が形成され
る。例えば、基板上に形成する膜がＴｉＮ膜の場合は、
コリメート板の上面には、残留応力が小さく密着性の良
いＴｉ膜が形成される。このため、パーティクルの発生
を抑えることができる。Further, since the compound film is formed only on the substrate in which the self-bias is induced, a film made of the material forming the target is formed on the upper surface of the collimator plate. For example, when the film formed on the substrate is a TiN film,
A Ti film having a small residual stress and good adhesion is formed on the upper surface of the collimator plate. Therefore, generation of particles can be suppressed.
【００１７】また、この発明の第２の化合物膜の形成方
法（以下、第２の方法と称することがある。）によれ
ば、反応ガスと必要ならば不活性ガスを含む放電ガスを
供給して、反応性スパッタリングにより、サセプタに搭
載した基板上に化合物膜を形成するに当たり、次のイ）
〜ハ）の特徴を有する。According to the second method of forming a compound film of the present invention (hereinafter sometimes referred to as the second method), a discharge gas containing a reaction gas and, if necessary, an inert gas is supplied. Then, in forming a compound film on the substrate mounted on the susceptor by reactive sputtering, the following a)
~ Ha) features.
【００１８】イ）初期設定として、ターゲット側電極の
みに、実際に化合物膜を形成するときの電圧を印加し
て、反応ガスの圧力を化合物膜が形成されない範囲内の
値に設定する。(A) As an initial setting, the voltage for actually forming the compound film is applied only to the target side electrode, and the pressure of the reaction gas is set to a value within the range in which the compound film is not formed.
【００１９】ロ）ターゲットとサセプタとの距離を１５
０ｍｍ〜５００ｍｍの範囲内に設定する。B) The distance between the target and the susceptor is 15
Set within the range of 0 mm to 500 mm.
【００２０】ハ）初期設定の前記反応ガスの圧力の値を
保持しながら、高周波電圧をサセプタに印加することに
より基板に負のバイアスを誘起させた状態で、化合物膜
を成膜する。C) A compound film is formed in a state in which a negative bias is induced in the substrate by applying a high frequency voltage to the susceptor while maintaining the initial value of the pressure of the reaction gas.
【００２１】この第２の方法は、すでに述べてある遠距
離スパッタリングに応用したものである。上記のイ）と
ハ）については、第１の方法と同様であるが、第２の方
法では、コリメート板を用いずにスパッタの距離設定を
行うことにより、微細なコンタクト孔部分においても良
好なカバレージの膜を形成するものである。膜の形成に
ついては第１の方法と同様のため、第２の方法において
も、膜の形成を短時間で行うことができ、基板に垂直に
入射するスパッタ粒子を多くすることができる。This second method is applied to the long-distance sputtering described above. The above items a) and c) are the same as those in the first method, but in the second method, the sputter distance is set without using the collimator plate, so that even a fine contact hole portion can be excellent. It forms a film of coverage. Since the film formation is similar to that of the first method, the film formation can be performed in a short time also in the second method, and the number of sputtered particles that are vertically incident on the substrate can be increased.
【００２２】[0022]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態につき説明をする。各図は、発明が理解で
きる程度に各構成成分の大きさ、形状および位置関係等
を概略的に示してあるにすぎず、したがって図示例にの
み限定されるものではない。また、断面を示すハッチン
グは一部分を除き省略してある。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Each drawing merely schematically shows the size, shape, positional relationship, etc. of each constituent component to the extent that the invention can be understood, and is therefore not limited to the illustrated examples. Further, hatching indicating a cross section is omitted except for a part.
【００２３】＜第１の実施の形態＞第１の実施の形態で
は、この発明の第１の化合物膜の形成方法の一例につい
て説明する。<First Embodiment> In the first embodiment, an example of a method for forming a first compound film of the present invention will be described.
【００２４】図１は、第１の実施の形態の説明に供する
図であり、第１の方法に用いるスパッタ装置の構成を概
略的に示す断面図である。スパッタリングを行うスパッ
タチャンバ１１には、このスパッタチャンバ１１内を真
空引きするための真空ポンプ３１と、スパッタチャンバ
１１に放電ガスを供給するためのガス導入管４１とが接
続してある。スパッタチャンバ１１は、次のように構成
されている。ターゲット側電極（カソード）１３は、タ
ーゲット１５を搭載し、基板１９を搭載するサセプタ１
７と対向して設置されている。また、ターゲット１５と
サセプタ１７（基板１９）との間に、コリメート板２１
が設置（挿入）されている。このコリメート板２１に
は、複数の貫通孔２１ａがはちの巣状に配列されてい
る。また、ターゲット１５から基板１９に至る部分、す
なわちプラズマ放電が発生する部分を取り囲むように、
シールド板２３が設けられている。そして、ターゲット
側電極１３には直流電源２５が接続してあり、サセプタ
１７には、高周波（ＲＦ）電源２７が接続してある。FIG. 1 is a diagram for explaining the first embodiment, and is a cross-sectional view schematically showing the structure of a sputtering apparatus used in the first method. A vacuum pump 31 for evacuating the inside of the sputtering chamber 11 and a gas introduction pipe 41 for supplying a discharge gas to the sputtering chamber 11 are connected to the sputtering chamber 11 for sputtering. The sputter chamber 11 is configured as follows. The target side electrode (cathode) 13 has the target 15 mounted thereon and the substrate 19 mounted thereon.
It is installed opposite to 7. In addition, the collimator plate 21 is provided between the target 15 and the susceptor 17 (substrate 19).
Has been installed (inserted). In the collimator plate 21, a plurality of through holes 21a are arranged in a honeycomb shape. Further, so as to surround the portion from the target 15 to the substrate 19, that is, the portion where plasma discharge is generated,
A shield plate 23 is provided. A DC power supply 25 is connected to the target-side electrode 13, and a radio frequency (RF) power supply 27 is connected to the susceptor 17.
【００２５】この発明の化合物膜の形成方法によれば、
まず、初期設定として、ターゲット側電極１３のみに、
実際に化合物膜を形成するときの電圧を印加し、およ
び、反応ガスの圧力を化合物膜が形成されない範囲内の
値、すなわち図４における範囲（α）の値に設定する。
ここでは、ターゲット１５をＴｉ、反応ガスをＮ2 、形
成する化合物膜をＴｉＮとする。そしてまず、Ｎ2 ガス
の圧力の設定をする。スパッタチャンバ１１を、真空ポ
ンプ３１で１×１０-7Ｔｏｒｒ以下まで真空引きする。
その後、放電ガスをガス導入管４１から供給する。放電
ガスは、ここではＮ2 ガスとＡｒガスとの混合ガスと
し、放電ガス全体の圧力（全圧）を一定にしてＮ2 ガス
の圧力（分圧）を変化させていきながら、ターゲット側
電極１３に電圧を印加して成膜をしていった。そしてそ
の結果、図４の点Ｐc1に相当するＮ2のガス圧の値を求
め、膜形成時にスパッタ装置に供給するＮ2 のガス圧を
この値（全圧に対するＮ2 ガスの分圧の値は、１０．５
％程度）とした。According to the method of forming a compound film of the present invention,
First, as an initial setting, only the target-side electrode 13
The voltage for actually forming the compound film is applied, and the pressure of the reaction gas is set to a value within a range where the compound film is not formed, that is, a value in the range (α) in FIG.
Here, the target 15 is Ti, the reaction gas is N 2 , and the compound film to be formed is TiN. Then, first, the pressure of N 2 gas is set. The sputtering chamber 11 is evacuated to 1 × 10 −7 Torr or less with a vacuum pump 31.
Then, the discharge gas is supplied from the gas introduction pipe 41. Here, the discharge gas is a mixed gas of N 2 gas and Ar gas, and while the pressure (total pressure) of the entire discharge gas is kept constant and the pressure (partial pressure) of the N 2 gas is changed, the target side electrode A voltage was applied to 13 to form a film. As a result, the value of the gas pressure of N 2 corresponding to the point Pc 1 in FIG. 4 is obtained, and the gas pressure of N 2 supplied to the sputtering apparatus at the time of film formation is determined by this value (the partial pressure of N 2 gas relative to the total pressure). The value is 10.5
%).
【００２６】次に、この発明の化合物膜の形成方法によ
れば、初期設定の反応ガスの圧力の値を保持しながら、
高周波電圧をサセプタに印加することにより基板に負の
バイアスを誘起させた状態で、化合物膜を成膜する。Next, according to the method of forming a compound film of the present invention, while maintaining the initial value of the pressure of the reaction gas,
A compound film is formed in a state where a negative bias is induced in the substrate by applying a high frequency voltage to the susceptor.
【００２７】ここでは、まず、真空ポンプ３１により、
スパッタチャンバ１１を１×１０-7Ｔｏｒｒ以下まで真
空引きする。次に、ガス導入管４１から、上記の条件の
放電ガスをスパッタチャンバ１１内に供給する。チャン
バ１１内のガス圧が安定したら、直流電源２５から、タ
ーゲット側電極１３に電圧を印加し、１．８ｋＷのＤＣ
電力が生じるようにする。さらに、サセプタ１７に、高
周波電源２７から電圧を印加する。ここでは１３．５６
ＭＨｚの高周波の電圧を、８００Ｗの電力が生じるよう
に印加する。以上の処理を行うことにより、基板１９
に、−１００Ｖ〜−９２０Ｖ程度の自己バイアスを誘起
させることができる。また、以上の処理を行う時に、基
板１９を１００℃〜５００℃程度に加熱する。加熱機能
を有するサセプタ１７を用いると、基板１９の加熱は容
易に行える。Here, first, by the vacuum pump 31,
The sputtering chamber 11 is evacuated to 1 × 10 −7 Torr or less. Next, the discharge gas under the above conditions is supplied into the sputtering chamber 11 through the gas introduction pipe 41. When the gas pressure in the chamber 11 becomes stable, a voltage is applied from the DC power supply 25 to the target-side electrode 13 to generate DC of 1.8 kW.
Allow electricity to be generated. Further, a voltage is applied to the susceptor 17 from the high frequency power supply 27. Here 13.56
A high frequency voltage of MHz is applied so that 800 W of electric power is generated. By performing the above processing, the substrate 19
In addition, a self-bias of about -100V to -920V can be induced. When performing the above processing, the substrate 19 is heated to about 100 ° C to 500 ° C. The substrate 19 can be easily heated by using the susceptor 17 having a heating function.
【００２８】図２は、第１の方法によりＴｉＮ膜が成膜
される様子を示す概念図である。チャンバ１１内に放電
ガスを供給し、ターゲット側電極１３に電力を供給する
と、図２に示すようなプラズマが発生する。Ａｒ+ 、Ｎ
2 +によりターゲット１５がスパッタされてスパッタ粒子
（Ｔｉ原子、Ｎ原子）が飛び出し、コリメート板２１の
貫通孔２１ａを通って基板１９上に成膜される。ターゲ
ット１５は窒化していないため、基板１９上にはＴｉＮ
膜ではなく、Ｎを含んだＴｉ膜が形成されるが、基板１
９に誘起された負の自己バイアスによって、プラズマ中
の主にＮ2 + がＴｉ膜中に引き込まれるため、結果的に
ＴｉＮ膜が形成されることになる。FIG. 2 is a conceptual diagram showing how a TiN film is formed by the first method. When a discharge gas is supplied into the chamber 11 and power is supplied to the target-side electrode 13, plasma as shown in FIG. 2 is generated. Ar + , N
The target 15 is sputtered by 2 + and sputtered particles (Ti atoms, N atoms) are ejected, and are deposited on the substrate 19 through the through holes 21 a of the collimator plate 21. Since the target 15 is not nitrided, TiN is not formed on the substrate 19.
The Ti film containing N is formed instead of the film, but the substrate 1
N 2 + in the plasma is mainly drawn into the Ti film by the negative self-bias induced in No. 9, resulting in the formation of the TiN film.
【００２９】＜第２の実施の形態＞第２の実施の形態
は、第１の実施の形態の変形例であり、化合物膜とター
ゲットを構成する金属材料との積層構造を形成する場合
に適用した例である。この場合は、高周波電圧を断続的
に印加するとよい。すなわち、高周波電圧のオン・オフ
を連続して行う。そうすれば、基板１９への高周波電圧
が印加されていないとき（ここでは高周波電源側の回路
が接地の状態となり、ターゲット電極のみに電圧が印加
されている状態を指す。）にはＴｉＮ膜は形成されず、
Ｔｉ膜が形成されるため、化合物膜（ＴｉＮ膜）と、タ
ーゲット１５を構成する金属材料（Ｔｉ膜）との積層構
造を形成することができる。最下層をＴｉ膜にすると、
配線の下地であるＳｉ基板中の拡散層との接触抵抗を低
減させることができる上にオーミック特性を有する膜が
得られるという利点がある。その他の部分は第１の実施
の形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。<Second Embodiment> The second embodiment is a modification of the first embodiment and is applied to the case where a laminated structure of a compound film and a metal material forming a target is formed. It is an example. In this case, the high frequency voltage may be applied intermittently. That is, the high frequency voltage is continuously turned on and off. Then, when the high frequency voltage is not applied to the substrate 19 (here, the circuit on the high frequency power supply side is in the grounded state and the voltage is applied only to the target electrode), the TiN film is not formed. Not formed,
Since the Ti film is formed, it is possible to form a laminated structure of the compound film (TiN film) and the metal material (Ti film) forming the target 15. If the bottom layer is a Ti film,
There is an advantage that the contact resistance with the diffusion layer in the Si substrate which is the base of the wiring can be reduced and a film having ohmic characteristics can be obtained. Other parts are the same as those in the first embodiment, and detailed description thereof will be omitted.
【００３０】＜第３の実施の形態＞第３の実施の形態
も、基本的には第１の実施の形態と同様である。ここで
は、第１の実施の形態で用いた放電ガスに、さらに１０
ｍＴｏｒｒ以下の分圧のＨｅ（ヘリウム）ガスを添加す
る。このため、イオン化率が向上してプラズマ密度が高
くなり、その結果成膜に要する時間をさらに短縮するこ
とができる。Ｈｅガスは軽いガスなので、上記のガス圧
のＨｅガスを添加しても、ガス分子の衝突・散乱が激し
くなる心配があまりない。したがって、Ｈｅガスを除く
放電ガスの圧力を１ｍＴｏｒｒ以下程度に抑えることが
できる場合は、好ましくはＨｅガスを加えるのが良い。
その他の部分は第１の実施の形態と同様であるため、詳
細な説明を省略する。<Third Embodiment> The third embodiment is also basically the same as the first embodiment. Here, in addition to the discharge gas used in the first embodiment, 10
He (helium) gas having a partial pressure of mTorr or less is added. Therefore, the ionization rate is improved and the plasma density is increased, and as a result, the time required for film formation can be further shortened. Since He gas is a light gas, even if He gas having the above-mentioned gas pressure is added, there is not much concern that collision and scattering of gas molecules will become severe. Therefore, when the pressure of the discharge gas excluding He gas can be suppressed to about 1 mTorr or less, He gas is preferably added.
Other parts are the same as those in the first embodiment, and detailed description thereof will be omitted.
【００３１】＜第４の実施の形態＞第４の実施の形態
も、基本的には第１の実施の形態と同様である。ここで
は、第１の実施の形態で用いた放電ガスのうち、Ａｒガ
スの代わりに、Ｋｒ（クリプトン）、Ｘｅ（キセノン）
およびＲｎ（ラドン）のうちから選ばれたガスを使用す
る。これらのガスは、いずれもＡｒよりも重い不活性ガ
スであるため、スパッタ粒子が基板に垂直に入射する率
がさらに増し、コンタクト孔のステップカバレージを向
上させることができる。<Fourth Embodiment> The fourth embodiment is also basically the same as the first embodiment. Here, in the discharge gas used in the first embodiment, instead of Ar gas, Kr (krypton), Xe (xenon) are used.
And a gas selected from Rn (radon) is used. Since all of these gases are inert gases heavier than Ar, the rate at which sputtered particles are vertically incident on the substrate is further increased, and the step coverage of the contact hole can be improved.
【００３２】＜第５の実施の形態＞第５の実施の形態
は、この発明の第２の化合物膜の形成方法の一例であ
る。基本的な部分は第１の実施の形態と同様であるが、
用いるスパッタ装置の構成が異なる。<Fifth Embodiment> The fifth embodiment is an example of a method for forming a second compound film according to the present invention. The basic part is the same as that of the first embodiment,
The configuration of the sputtering device used is different.
【００３３】図３は、第５の実施の形態に用いるスパッ
タ装置の構成を概略的に示す断面図である。第１の実施
の形態と同様に、スパッタチャンバ１１０に、真空ポン
プ３１０とガス導入管４１０とが接続してある。また、
スパッタチャンバ１１０は、ターゲット１５０を搭載す
るターゲット側電極１３０と、基板１９０を搭載するサ
セプタ１７０、ターゲット側電極１３０に接続された直
流電源２５０、サセプタ１７０に接続された高周波（Ｒ
Ｆ）電源２７０等で構成される。第２の方法では、コリ
メート板を用いる代わりに、図中に示すターゲット１５
０とサセプタ１７０との距離Ｗを１５０ｍｍ〜５００ｍ
ｍの範囲内に設定する。このような遠距離スパッタを行
うのは、例えばアスペクト比が４以上のコンタクト孔を
有する基板に、１００ｎｍ程度の膜を形成する場合等が
考えられる。成膜の手順等は第１の方法と同様であるた
め、詳細な説明を省略する。FIG. 3 is a sectional view schematically showing the structure of the sputtering apparatus used in the fifth embodiment. As in the first embodiment, a vacuum pump 310 and a gas introduction pipe 410 are connected to the sputtering chamber 110. Also,
The sputtering chamber 110 includes a target-side electrode 130 on which a target 150 is mounted, a susceptor 170 on which a substrate 190 is mounted, a DC power supply 250 connected to the target-side electrode 130, and a high frequency (R) connected to the susceptor 170.
F) A power source 270 and the like. In the second method, instead of using the collimator plate, the target 15 shown in the figure is used.
The distance W between 0 and the susceptor 170 is 150 mm to 500 m
Set within the range of m. Such long-distance sputtering may be performed, for example, when forming a film of about 100 nm on a substrate having a contact hole with an aspect ratio of 4 or more. Since the film forming procedure and the like are the same as those in the first method, detailed description thereof will be omitted.
【００３４】この発明は、例示の形態にのみ限定される
ものではないことは明らかである。例えば、上述の各形
態においては、いずれもＴｉＮ膜の形成に適用した例が
挙げてあるが、例えばＴａＮ（窒化タンタル）、ＷＮ
（窒化タングステン）等にも適用することができる。そ
の他、この発明の化合物膜の形成方法で実施可能であれ
ば、これらの化合物膜に限定されることはない。Obviously, the invention is not limited to the exemplary forms only. For example, in each of the above-described embodiments, an example applied to the formation of the TiN film is given. For example, TaN (tantalum nitride), WN
It can also be applied to (tungsten nitride) and the like. Other than that, the compound film is not limited to these as long as the method for forming the compound film of the present invention can be performed.
【００３５】[0035]
【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明の第１の化合物膜の形成方法によれば、ターゲッ
トとサセプタとの間にコリメート板を挿入したスパッタ
装置を用いて、反応性スパッタリングにより化合物膜を
形成するに当たり、初期設定として、反応ガスの圧力を
化合物膜が形成されない範囲内の値に設定する。そし
て、初期設定の反応ガスの圧力の値を保持しながら、高
周波電圧をサセプタに印加することにより基板に負のバ
イアスを誘起させた状態で、化合物膜を成膜する。この
ため、発生したプラズマ中のイオンが、基板側に発生し
た負のバイアスにより、主にターゲットを構成する材料
からなる基板への堆積膜中に引き込まれる。したがっ
て、結果的に化合物膜を形成することができる。このた
め、ターゲットが窒化されない範囲の反応ガス圧を供給
して膜を形成することが可能となり、従来に比べて膜形
成に要する時間が短くなる。As is apparent from the above description, according to the first method of forming a compound film of the present invention, the reactivity is improved by using the sputtering apparatus in which the collimator plate is inserted between the target and the susceptor. When forming a compound film by sputtering, the pressure of the reaction gas is set to a value within the range where the compound film is not formed as an initial setting. Then, the compound film is formed in a state where a negative bias is induced in the substrate by applying a high frequency voltage to the susceptor while maintaining the initial value of the pressure of the reaction gas. Therefore, the ions in the generated plasma are drawn into the deposited film on the substrate mainly made of the material forming the target due to the negative bias generated on the substrate side. Therefore, as a result, the compound film can be formed. Therefore, it becomes possible to form the film by supplying the reaction gas pressure in the range where the target is not nitrided, and the time required for forming the film becomes shorter than in the conventional case.
【００３６】また、化合物膜が形成されない範囲の反応
ガス圧は、従来に比べて低いため、放電ガスの全体の圧
力も従来に比べて低くできることになる。よって、ガス
分子の衝突・散乱も抑えることができ、基板に垂直に入
射するスパッタ粒子を多くすることができる。Further, since the reaction gas pressure in the range where the compound film is not formed is lower than in the conventional case, the total pressure of the discharge gas can be made lower than in the conventional case. Therefore, collision / scattering of gas molecules can also be suppressed, and the number of sputtered particles that enter the substrate vertically can be increased.
【００３７】また、化合物膜は自己バイアスが誘起され
る基板のみに成膜されるため、コリメータ板の上面に
は、ターゲットを構成する材料からなる膜が形成され
る。この膜は残留応力が小さく密着性の良いため、パー
ティクルの発生を抑えることができる。Further, since the compound film is formed only on the substrate where the self-bias is induced, a film made of the material forming the target is formed on the upper surface of the collimator plate. Since this film has small residual stress and good adhesion, generation of particles can be suppressed.
【００３８】また、この発明の第２の化合物膜の形成方
法によれば、基本的な部分は第１の方法と同様である
が、コリメート板を用いる代わりに、ターゲットとサセ
プタとの距離を１５０ｍｍ〜５００ｍｍの範囲内に設定
して、微細なコンタクト孔における良好な膜の形成を行
う方法を採っている。第２の方法においても、第１の方
法と同様に膜形成を短時間で行うことができ、基板に垂
直に入射するスパッタ粒子を多くすることができる。According to the second method of forming a compound film of the present invention, the basic part is the same as that of the first method, but instead of using the collimator plate, the distance between the target and the susceptor is 150 mm. It is set within the range of up to 500 mm to adopt a method of forming a good film in a fine contact hole. Also in the second method, the film formation can be performed in a short time as in the first method, and the number of sputtered particles that are vertically incident on the substrate can be increased.
【００３９】したがって、配線間のショートやコンタク
ト不良等の発生を抑え、しかも膜形成速度が速く量産性
の高い化合物膜を形成することができる。Therefore, it is possible to suppress the occurrence of short circuits between wirings, defective contacts, etc., and to form a compound film which has a high film formation speed and high mass productivity.
【図１】第１の化合物膜の形成方法（第１の実施の形
態）に用いるスパッタ装置の概略的な断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a sputtering apparatus used in a method for forming a first compound film (first embodiment).
【図２】第１の方法によりＴｉＮ膜が成膜される様子を
示す概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram showing how a TiN film is formed by a first method.
【図３】第２の化合物膜の形成方法（第５の実施の形
態）に用いるスパッタ装置の概略的な断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a sputtering apparatus used in a second compound film forming method (fifth embodiment).
【図４】通常のスパッタ装置を用いて、放電ガスの全圧
を一定としたときに、用いる反応ガスの圧力を変化させ
ながら反応性スパッタリングを行うことにより膜を形成
していった場合の、膜の堆積速度の相対的な変化の概形
を示す特性図である。FIG. 4 shows a case where a film is formed by carrying out reactive sputtering while changing the pressure of a reaction gas to be used when the total pressure of a discharge gas is kept constant by using an ordinary sputtering apparatus. It is a characteristic view which shows the outline of the relative change of the deposition rate of a film.
１１、１１０：スパッタチャンバ １３、１３０：ターゲット側電極（カソード） １５、１５０：ターゲット １７、１７０：サセプタ １９、１９０：基板 ２１：コリメート板 ２１ａ：貫通孔 ２３、２３０：シールド板 ２５、２５０：直流電源 ２７、２７０：高周波電源 ３１、３１０：真空ポンプ ４１、４１０：ガス導入管 11, 110: Sputter chamber 13, 130: Target side electrode (cathode) 15, 150: Target 17, 170: Susceptor 19, 190: Substrate 21: Collimate plate 21a: Through hole 23, 230: Shield plate 25, 250: DC Power supply 27, 270: High frequency power supply 31, 310: Vacuum pump 41, 410: Gas introduction pipe
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/285 ３０１ Ｈ０１Ｌ 21/285 ３０１Ｒ ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Office reference number FI technical display location H01L 21/285 301 H01L 21/285 301R
Claims (4)
ト板を挿入したスパッタ装置に、反応ガスと必要ならば
不活性ガスを含む放電ガスを供給して、反応性スパッタ
リングにより、前記サセプタに搭載した基板上に化合物
膜を形成するに当たり、 ａ）初期設定として、ターゲット側電極のみに、実際に
前記化合物膜を形成するときの電圧を印加し、および、
前記反応ガスの圧力を前記化合物膜が形成されない範囲
内の値に設定し、 ｂ）前記初期設定の前記反応ガスの圧力の値を保持しな
がら、高周波電圧を前記サセプタに印加することにより
前記基板に負のバイアスを誘起させた状態で、前記化合
物膜を成膜することを特徴とする化合物膜の形成方法。1. A substrate mounted on the susceptor by reactive sputtering by supplying a discharge gas containing a reaction gas and, if necessary, an inert gas to a sputtering device having a collimator plate inserted between the target and the susceptor. In forming the compound film on the substrate, a) As an initial setting, a voltage for actually forming the compound film is applied only to the target-side electrode, and
The pressure of the reaction gas is set to a value within a range in which the compound film is not formed, and b) the high pressure voltage is applied to the susceptor while maintaining the value of the pressure of the reaction gas at the initial setting. A method of forming a compound film, wherein the compound film is formed in a state in which a negative bias is induced in the film.
おいて、 前記ターゲットをＴｉ（チタン）とし、 前記反応ガスをＮ2 （窒素）ガスとし、前記化合物膜を
ＴｉＮ（窒化チタン）膜としたことを特徴とする化合物
膜の形成方法。2. The method for forming a compound film according to claim 1, wherein the target is Ti (titanium), the reaction gas is N 2 (nitrogen) gas, and the compound film is a TiN (titanium nitride) film. A method for forming a compound film, characterized in that
おいて、 前記化合物膜と、前記ターゲットを構成する金属材料と
の積層構造を形成する場合は、前記高周波電圧を断続的
に印加することを特徴とする化合物膜の形成方法。3. The method of forming a compound film according to claim 1, wherein the high frequency voltage is intermittently applied when forming a laminated structure of the compound film and a metal material forming the target. And a method of forming a compound film.
放電ガスを供給して、反応性スパッタリングにより、サ
セプタに搭載した基板上に化合物膜を形成するに当た
り、 イ）初期設定として、ターゲット側電極のみに、実際に
前記化合物膜を形成するときの電圧を印加して、前記反
応ガスの圧力を前記化合物膜が形成されない範囲内の値
に設定し、 ロ）ターゲットとサセプタとの距離を１５０ｍｍ〜５０
０ｍｍの範囲内に設定し、 ハ）前記初期設定の前記反応ガスの圧力の値を保持しな
がら、高周波電圧を前記サセプタに印加することにより
前記基板に負のバイアスを誘起させた状態で、前記化合
物膜を成膜することを特徴とする化合物膜の形成方法。4. When forming a compound film on a substrate mounted on a susceptor by reactive sputtering by supplying a discharge gas containing a reaction gas and an inert gas if necessary, a) as a default setting, the target side The voltage for actually forming the compound film is applied only to the electrodes, and the pressure of the reaction gas is set to a value within the range where the compound film is not formed. (B) The distance between the target and the susceptor is 150 mm. ~ 50
C) in a range of 0 mm, and c) holding a value of the pressure of the reaction gas at the initial setting and applying a high frequency voltage to the susceptor to induce a negative bias in the substrate, A method for forming a compound film, which comprises forming a compound film.
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|---|---|---|---|
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09272972A true JPH09272972A (en) | 1997-10-21 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6281052B1 (en) | 1999-04-27 | 2001-08-28 | Nec Corporation | Method of manufacturing semiconductor device |
| JP2016117923A (en) * | 2014-12-19 | 2016-06-30 | 株式会社アルバック | Sputtering apparatus |
-
1996
- 1996-04-08 JP JP08512896A patent/JP3683336B2/en not_active Expired - Fee Related
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| JP2016117923A (en) * | 2014-12-19 | 2016-06-30 | 株式会社アルバック | Sputtering apparatus |
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