JPH11140640A - 選択スパッタリング装置、及び薄膜形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ＣＭＰ法を用いずに微細配線を高歩留まりに形
成する。 【解決手段】ターゲット１１をスパッタリングし、微細
溝を有する基板３表面に薄膜を形成する際、基板３を回
転させ、イオン照射装置４により、基板３に対し、０°
以上３０以下の入射角で、横方向からイオンビーム４６
を照射する。微細溝の外部に付着したスパッタリング粒
子はイオンビームによって除去され、微細溝内部に選択
的に配線を形成することができる。スパッタリングとイ
オンビーム照射とを同時に行ってもよいし、短時間のう
ちに交互に繰り返し行ってもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はスパッタリング技術
の分野にかかり、特に、微細孔や微細溝を選択的に埋め
込むことができるスパッタリング技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年では、半導体集積回路内の電気素子
が増々微細化しており、ＣＭＰ法を応用し、微細溝内に
形成するダマシン配線が注目されている。

【０００３】図５(ａ)に示した基板１０３は、ウェハ１
３１上に、微細溝(微細孔を含む)１３３を有する絶縁膜
１３２が形成されており、先ず、スパッタリング法によ
ってアルミニウム等のターゲットをスパッタリングし、
金属薄膜から成る配線薄膜１３４を全面成膜し、その配
線薄膜１３４によって微細溝１３３内を充填する(図５
(ｂ))。

【０００４】このとき、絶縁膜１３２表面にも配線薄膜
１３４が形成されてしまうため、ＣＭＰ法によって表面
を研磨し、絶縁膜１３２表面を露出させると、微細溝１
３３内に配線１３５を形成することができる(図５
(ｃ))。

【０００５】このように、スパッタリング法とＣＭＰ法
とを組合わせると、表面が平坦な状態で微細な配線１３
５を形成できることから多層配線に適しており、半導体
集積回路の配線形成技術の主流となっている。

【０００６】しかし、ＣＭＰ法はスラリを用いたウェッ
トプロセスであり、真空中での連続処理が行えないため
作業性が悪いという問題がある。また、基板１０３表面
にパーティクルが付着したり、表面が部分的に研磨され
てしまう場合があり、歩留りが低下するおそれがある。

【０００７】更に、従来技術のスパッタリング法では、
図６(ａ)に示すように、配線薄膜１３４を成長させる際
に、微細溝１３３の開口部において、配線薄膜１３４の
オーバーハング１３７が発生する場合がある。このよう
なオーバーハング１３７が発生すると、微細溝１３３底
部にはスパッタリング粒子が到達できなくなるため、オ
ーバーハング１３７によって開口部が閉塞すると、微細
溝１３３内部にボイド１３８が形成されてしまい(図６
(ｂ))、その状態でＣＭＰ法によって表面研磨を行って
も、内部にボイド１３８を有する配線１３５'しか得ら
れないという問題がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来技術
の不都合を解決するために創作されたものであり、その
目的は、ＣＭＰ法を用いず、高歩留まりの微細配線が得
られるスパッタリング技術を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明装置は、真空槽と、前記真空槽
内に設けられたターゲットを有し、前記真空槽内に基板
を搬入し、前記ターゲットに対向配置させ、前記ターゲ
ットをスパッタリングして前記基板表面に薄膜を形成す
るように構成されたスパッタリング装置であって、イオ
ン照射装置が設けられ、前記イオン照射装置が射出する
イオンビームを前記基板表面に横方向から照射できるよ
うに構成されたことを特徴とする。

【００１０】この請求項１記載のスパッタリング装置に
ついては、請求項２記載の発明のように、前記イオンビ
ームの前記基板表面への入射角は、０°以上３０°以下
になるように構成するとよい。

【００１１】請求項３記載の発明装置は、請求項１又は
請求項２のいずれか１項記載のスパッタリング装置であ
って、前記イオンビームを照射する際に、前記基板と前
記イオン照射装置とが相対的に回転できるように構成さ
れたことを特徴とする。

【００１２】請求項４記載の発明方法は、真空槽内に設
けられたターゲットに基板を対向配置し、前記ターゲッ
トをスパッタリングして前記基板表面に薄膜を形成する
薄膜形成方法であって、前記ターゲットのスパッタリン
グを行う際に、前記基板表面に横方向からイオンビーム
を照射することを特徴とする。

【００１３】この請求項４記載の薄膜形成方法について
は、前記イオンビームを照射する際に、請求項５記載の
発明方法のように、前記イオンビームと前記基板とを相
対回転させながら行うことができる。

【００１４】また、請求項６記載の発明方法のように、
前記ターゲットのスパッタリングと前記イオン照射とを
同時に行ったり、請求項７記載の発明方法のように、交
互に行うことができる。

【００１５】上述した本発明のスパッタリング装置はイ
オン照射装置を有しているので、真空槽内に基板を搬入
してターゲットに対向配置させ、ターゲットをスパッタ
リングして基板表面に薄膜を形成する際に、イオン照射
装置からイオンビームを射出させ、基板表面に横方向か
らイオンビームを照射すると、基板に形成された微細溝
の外部に付着したスパッタリング粒子を除去し、表面を
研磨することなく微細溝内部に配線薄膜を形成すること
ができる。このとき、微細溝内にはイオンビームは照射
されないので、微細溝内に付着したスパッタリング粒子
は除去されず、微細溝内に薄膜を成長させることができ
る。

【００１６】この場合、基板とイオン照射装置とを相対
回転させ、基板表面にイオンビームが全周方向から照射
されるようにしておくと、微細溝の開口部に付着したス
パッタリング粒子を開口部全周に亘って均一に除去でき
るので、オーバーハングの発生を効果的に防止すること
ができる。

【００１７】図２に示すような、イオンビーム４６の基
板３表面への入射角θと、微細孔内の充填率の関係を図
３に示す。この図３から分かるように、入射角θが０°
の場合(イオンビーム４６が、基板３表面近傍で基板３
表面と平行に通過する場合)は、微細孔内の充填率が１
００％であり、微細溝内の薄膜を除去することなく、微
細溝周囲に付着したスパッタリング粒子を除去すること
ができる。

【００１８】他方、入射角θを大きくしてイオンビーム
を照射し、微細溝周囲に付着したスパッタリング粒子を
除去する場合、微細溝内の薄膜も除去されてしまうが、
その充填率(残存率)は、入射角θが３０°で８０％、４
０°で７０％程度になる。

【００１９】一般に、微細溝内の充填率は８０％で十分
なので、イオンビーム４６の入射角は、０°以上３０°
以下の範囲が望ましい。イオン照射装置は、入射角度θ
が０°以上３０°以下の範囲で固定されるように構成し
てもよいし、その範囲で変更できるように構成してもよ
い。

【００２０】なお、薄膜形成中にイオンビームを照射す
る場合、ターゲットのスパッタリングと基板へのイオン
ビーム照射とを同時に行ってもよいし、短時間のうちに
交互に行ってもよい。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１を参照し、符号２は、本発明
の一例のスパッタリング装置を示している。このスパッ
タリング装置２は、真空槽１０を有しており、その内部
の天井側には、アルミニウムが円盤状に成形されて成る
ターゲット１１が配置され、底壁側には基板ホルダ１２
がターゲット１１と平行に対向配置されている。

【００２２】基板ホルダ１２の裏面には、回転軸１３の
一端が取り付けられており、該回転軸１３の他端は真空
槽１０外に気密に導出され、図示しないモータに接続さ
れ、基板ホルダ１２をターゲット１１と平行な状態で回
転できるように構成されている。

【００２３】基板ホルダ１２から水平方向に例えば約３
０ｃｍ離れた位置には、イオン照射装置４が設けられて
いる。イオン照射装置４は、イオン化室４１を有してお
り、そのイオン化室４１の内部には、フィラメント４４
とアノード電極４５とが配置されている。

【００２４】イオン化室４１の外部には、マグネット４
２が配置されており、イオン化室４１内を高真空状態に
した後、イオンビームの原料ガスを導入し、フィラメン
ト４４に通電して発熱させ、フィラメント４４をカソー
ド電極とし、アノード電極４５との間に電圧を印加した
状態で熱電子を放出させると、マグネット４２が形成す
る磁界によって、放出された熱電子が導入ガスと効率よ
く衝突し、イオン化室４１内部に高密度のイオンが生成
されるように構成されている。

【００２５】フィラメント４４と真空槽１０内部との間
には、イオン化室４１とは絶縁した状態で引出電極４３
が設けられており、イオン化室４１内にイオンが生成し
た状態で引出電極４３に負電圧を印加すると、生成され
たイオンはイオン化室４１の外部へイオンビーム４６と
なって引き出され、真空槽１０内に向けて射出されるよ
うに構成されている。

【００２６】このスパッタリング装置２を用いて配線を
形成する場合を説明する。図４の符号３は、配線薄膜の
形成対象の基板を示しており、この基板３は、シリコン
ウェハ３１と、該シリコンウェハ３１上に形成された絶
縁膜３２を有している。

【００２７】該絶縁膜３２には、微細孔を含む微細溝３
３が形成されており、その内部を配線薄膜で充填する場
合、先ず、真空槽１０内部を真空にした状態で基板３を
搬入し、微細溝３３をターゲット１１側に向け、基板ホ
ルダ１２上に載置する。基板３を加熱しながら真空槽１
０内を高真空状態にした後、アルゴンガス等のスパッタ
リングガスを導入する。

【００２８】真空槽１０内部が０．１Ｐａ程度の圧力で
安定したところで、ターゲット１１と基板ホルダ１２の
間に電圧を印加し、スパッタリングガスプラズマを発生
させると、ターゲット１１のスパッタリングが開始さ
れ、基板３表面にスパッタリング粒子が入射する。

【００２９】ターゲット１１のスパッタリングを行って
いる状態でイオン化室４１内にアルゴンガスを導入し、
生成したアルゴンガスイオン(Ａｒ⁺)をイオンビーム４
６として引き出し、基板３の横方向(ここでは、入射角
θは約０°)から表面に照射する。

【００３０】ターゲット１１から飛び出したスパッタリ
ング粒子は、上方から基板３表面へ入射し、微細溝３３
の底面や絶縁膜３２表面にも付着するが、基板３表面に
は横方向からイオンビーム４６が照射されているため、
絶縁膜３２の表面には薄膜は成長しない。

【００３１】他方、イオンビーム４６は微細溝３３内に
は入射できないので、微細溝３３内に付着したスパッタ
リング粒子は除去されず、微細溝３３の底面から配線薄
膜３５が成長する(図４(ｂ))。

【００３２】このとき基板ホルダ１２と共に基板３を回
転させると、基板３の周囲から均一にイオンビーム４６
が照射されるので、絶縁膜３２表面ではイオンビームの
陰となる部分がなくなり、微細溝３３内に選択的に配線
３５を形成することができる(図４(ｃ))。

【００３３】また、基板３を回転させた場合、イオンビ
ーム４６は微細溝３３の開口部にも均一に入射するた
め、開口部３３にオーバーハングが発生することがなく
なる。この場合、イオン照射装置４を基板３に向けたま
ま旋回させてもよい。

【００３４】このように、ターゲット１１のスパッタリ
ングを行いながら基板３表面に横方向からイオンビーム
４６を照射する他、上記薄膜製造工程のように、ターゲ
ット１１のスパッタリングと基板３表面へのイオンビー
ム照射とを短時間で交互に繰り返し行ってもよい。

【００３５】但し、スパッタリングによる薄膜形成を終
了した後、イオンビーム照射を行う場合には、絶縁膜３
２表面の配線薄膜３５は除去できるが、薄膜成長の際に
微細溝３３の開口部にオーバーハングが生じているた
め、配線薄膜３５内にボイドが発生し、不適当である。

【００３６】なお、上記イオン照射装置４はフィラメン
トによって導入ガスをイオン化したが、マイクロ波を照
射してイオン化するものや、高周波電圧によってイオン
化するもの等、種々のイオン化方法を用いたものが含ま
れる。

【００３７】また、イオンビームの原料ガスは、アルゴ
ンガス等の希ガスの他、窒素ガス等のガスを広く用いる
ことができる。配線薄膜が反応性スパッタリング法で形
成される場合には、反応に用いるガス(金属窒化物薄膜
を形成する場合には窒素ガス)を用いることもできる。
それらのイオンビームの照射角度(イオンビームと基板
の表面とが成す角度)は、０°(水平の場合)以上２０°
以下の範囲が好ましい。

【００３８】上記ターゲット１１はアルミニウムで構成
したため、配線３５はアルミニウム薄膜から成るが、本
発明によって形成できる配線はアルミニウム薄膜に限定
されるものではない。銅薄膜、ニオブ薄膜、チタン薄
膜、窒化チタン薄膜、窒化タングステン薄膜等のスパッ
タリング方法によって形成できる薄膜を広く含む。微細
溝内に配線を形成する場合は導電性薄膜に限られるが、
本発明では、絶縁性薄膜によって微細溝内を充填するこ
ともできる。

【００３９】なお、上記実施例は、イオンビームの入射
角θを約０°としたが、上述したように、入射角θは、
０°以上３０°以下の範囲であれば、絶縁膜表面には薄
膜は形成せず、微細溝内の薄膜の充填率を８０％以上す
ることができる。

【００４０】

【発明の効果】微細孔内に配線を選択的に形成できるの
で、生産性がよく、歩留まりも向上する。配線薄膜を成
長させる際にオーバーハングが生じないので、ボイドの
ない配線薄膜を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスパッタリング装置の一例を示す図

【図２】イオンビームの入射角度を説明するための図

【図３】入射角度と充填率の関係を示すグラフ

【図４】(ａ)〜(ｃ)：本発明の薄膜形成方法を説明する
ための工程図

【図５】(ａ)〜(ｃ)：ＣＭＰ法を用いた薄膜形成方法を
説明するための工程図

【図６】(ａ)〜(ｃ)：オーバーハングを説明するための
図

【符号の説明】

２……スパッタリング装置 ３……基板 ４……イ
オン照射装置 １０……真空槽 １１……ターゲッ
ト ４６……イオンビーム θ……入射角

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小日向 久治 静岡県裾野市須山1220−14 日本真空技術 株式会社富士裾野工場内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空槽と、前記真空槽内に設けられたタ
   ーゲットを有し、 前記真空槽内に基板を搬入し、前記ターゲットに対向配
   置させ、 前記ターゲットをスパッタリングして前記基板表面に薄
   膜を形成するように構成されたスパッタリング装置であ
   って、 イオン照射装置が設けられ、前記イオン照射装置が射出
   するイオンビームを前記基板表面に横方向から照射でき
   るように構成されたことを特徴とするスパッタリング装
   置。
2. 【請求項２】 前記イオンビームの前記基板表面への入
   射角は、０°以上３０°以下になるように構成されたこ
   とを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
3. 【請求項３】 前記イオンビームを照射する際に、前記
   基板と前記イオン照射装置とが相対的に回転できるよう
   に構成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２の
   いずれか１項記載のスパッタリング装置。
4. 【請求項４】 真空槽内に設けられたターゲットに基板
   を対向配置し、前記ターゲットをスパッタリングして前
   記基板表面に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、 前記ターゲットのスパッタリングを行う際に、前記基板
   表面に横方向からイオンビームを照射することを特徴と
   する薄膜形成方法。
5. 【請求項５】 前記イオンビームを照射する際に、前記
   基板とイオンビームとを相対回転させながら行うことを
   特徴とする請求項４記載の薄膜形成方法。
6. 【請求項６】 前記ターゲットのスパッタリングと前記
   イオン照射とを同時に行うことを特徴とする請求項４又
   は請求項５のいずれか１項記載の薄膜形成方法。
7. 【請求項７】 前記ターゲットのスパッタリングと前記
   イオン照射とを交互に行うことを特徴とする請求項４又
   は請求項５のいずれか１項記載の薄膜形成方法。