JPS6269534A - 平坦性薄膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の属する技術分野） 本発明は半導体集積回路の配線停に用いる薄膜の形成方
法に関するもので、特にその表面が下地膜の凹凸より改
善された平坦性薄膜の製法に関するものである。

（従来の技術） 従来、半導体集積回路の配線などに用いる金属薄膜の形
成法としては蒸着法やスパッタ法などが採用されていた
。通常金属薄膜が形成される基板には凹凸があり、上述
の方法でこのような基板上に薄膜を形成すると基板の凹
凸上の被覆形状が悪く、例えば凸部でオーバハング状に
なりその段差の所に断線等の配線障害を起こすという欠
点があつた。また、上述の方法で形成した薄膜は基板の
凹凸をより強調した被覆形状になシ、その後に形成する
薄膜の被覆形状がより悪化し短絡等の障害をおこす欠点
もあった。

このような問題を解決するためには、金属薄膜が基板の
凹凸を綺麗に埋めその表面がなるべく平坦になっている
ことが要求される。この要求条件を満たすためには、被
覆形状の悪い薄膜形成後に何らかの手法により被覆形状
の悪い箇所の被覆形状の改善をすること、又はもともと
被覆形状のすぐれ念平坦な薄膜を形成することの−通り
の方法が考えられる　しかし前者に関しては未だ何ら適
切な方法は提案されていなかった。後者に関してはＪｏ
ｕｒｎａｌ　　ｏｆ　Ｂｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｌｃａｌ
　　５ｏｃｉｅｔｙ　／３２巻（ｌり１ｒＪ−年）／４
ｔ＆４頁〜／グア２頁に記載されている技術（以下「バ
イアススパッタ法」という）がある。バイアススパッタ
法は凹凸のある基板に直流又は交流で比較的小さい電圧
（−１００〜−！０ＯＶ）のバイアスを加えた状態で薄
膜原料をスパッタして基板上に薄膜を形成する方法であ
る。

このバイアススパッタ法では基板に堆積される薄膜の一
部がエツチングされながら薄膜の形成が進行する。そし
てこのバイアススパッタ方法は、第９図に示すように薄
膜のエツチング速度がイオン入射角度依存性を有してい
ることを利用して薄膜の平坦化を図っている。このこと
を第１０図（Ａ）〜［有］）を用いて詳しく説明する。

膜形成時間が短い間は第ｉｏ図（４）のように被覆形状
の悪いａ膜が基板上に形成される。その後しばらくする
と、ａ膜の傾斜面のエツチングがＡｔ膜の水平面に比べ
て早く進行しかつＡｔが同時に堆積しているので第１Ｏ
図の）及び第１０図（０）のようにその被覆形状が変化
していく、更に膜形成を進めていくと、第９図に示した
ように傾斜面のエツチング速度が基板に水平な面に比べ
て早いので傾斜面が凸部の中央に向かって後退していく
（第ｉｏ図の））。このときエツチングされながら、タ
ーゲットからとんでくるスパッタ原子により新たな薄膜
が形成されていくので、薄膜の厚さはそれほど極端に薄
くならない。更に時間が経過すると凸部上の傾斜間は更
に凸部中央に向かって後退していき最終的には両側から
後退してきた傾斜面が中央で消滅し第ｉ。

図［有］）で示すように平坦な被覆形状の薄膜になる。

。 しかし、このバイアススパッタ法には次のような致命的
な欠点がある。即ち、第１に平坦な表面を得るために、
ターゲットからのスパッタ原子による新たな薄膜の形成
速度を傾斜面の後退速度より遅くしなければならない。

そのため薄膜の平坦化に要する時間が極めて長くなって
しまうという欠点があった。第２に、上述のＨｉｏ図（
４）〜（ト））の説明から明らかなように凸部の幅が小
さければ比較的短時間に平坦化が達成できるが、凸部の
幅が大きい場合には平坦化に長い時間を要する。従って
最終的には下地膜のパターンが大小混在するパターンの
場合にはそれぞれのパターン上の薄膜の厚さが異なった
シ、大パターンの上は平坦化が充分でない等、形成され
る薄膜の厚さ及び形状にパターン依存性が出てしまう欠
点があった。このパターン依存性があると、後のエツチ
ング工程で一部にエツチング残シが生じてしまい、最終
製品の習 多着→が著しく悪くなる。

（発明の目的） 本発明の目的は、凹凸のある基板を良好な被覆形状で覆
いかつその表面が平坦である平坦性薄膜を高速の形成速
度で形成できる新たな平坦性薄膜の形成方法を提供する
ことである。

本発明の他の目的は、凹凸のある基板上に下地膜のパタ
ーンに依存せずに被覆形状にすぐれ平坦性のよい薄膜を
形成する方法を提案することにある。

（発明の構成） 本発明は、凹凸のある基板上に形成された薄膜又は凹凸
のある基板上に形成されつつある薄膜に荷電粒子を照射
し薄膜の温度を上昇させると共に荷電粒子の衝撃により
薄膜に流動をおこさせ短時間で平坦性のある薄膜を形成
する方法である。

本発明は、アルミニウム（以下「Ａｔ」という）のスパ
ッタ法を検討している際中に新たに発見されたＡｔの流
動化現象を利用することによって発明されたものであシ
、エツチング現象を利用する従来のスパッタエツチング
性とは全くその原理を異にする。

（実施例） に説明する。

生成室ｌにつながるガス系及び排気系は図示していない
。スパッタガンコは内面に円筒状の磁石２人を有し、更
にその内側の中心には磁石２人とは逆の極性の磁石２Ｂ
を有していて、磁石、２Ｂの膜生成室ｌ側には接地電位
の電極、！０を備えていて、磁石、２Ｂの膜生成室ｌ側
にはターゲット３を備え−〇　　　　− ている。ターゲット３は例えばＵでドーナツ状になって
いて、外周から内周に向かって内面が傾斜しておシ、外
周の直径が約／１ｍであジターゲット面の面積は約２０
０（Ｍｅ”である、このターゲット３には接地電位に対
して負の電位が印加できるようになっている。このよう
な構造のスパッタガン構造が発生する。スパッタガンコ
と約１ｒ（ｊａｂ離れた所にこれと対向してサセプタが
基板電極乙に支持されている。サセプタｊの面積は約ｔ
ｏ（至）２　である。サセプタｊは周辺が約／鴎程高い
凸部を有しこの周辺の凸部で基板の裏面と接触している
。

基板電極６は直流又は交流のバイアス電源７に接続して
いる。サセプタ！の周囲には、基板ｒを保持する保持具
りが膜生成室／と絶縁された状態で設けられている。な
お第１図（４）のスパッタガンコの部分は８１１１図ω
）図示すような平坦なターゲット３′を有するスパッタ
ガン構造であってもよい。

次に本発明の第１の実施例について説明する。

先ず凹凸のある基板ｉｏとして例えばシリコン酸化膜を
用い、この基板ＩＯ上にＡｔ膜１ｌｆｉｌ−無バイアス
状態でスパッタ法によル形成し、第２図（４）の構造を
得る。ついで電源７から例えば／Ｊ、！４ＭＨ１の高周
波を印加して膜生成室ｌ内にプラズマを発生させ、第２
図（３）の基板上のＡｔ、　［／　／　にバイアス状態
で荷電粒子（主としてイオン）例えばアルゴンイオンを
照射し、ＡｔＷＩ、／／に　流動を起こさせ平坦性のあ
るａ膜／／’とする（第２図（Ｂ））。

この場合のＡｔ膜の被覆形状の実際の変化状況を第３図
（４）〜（Ｏを用いて説明する。第３図（４）は用膜ｌ
ｌを無バイアス状態で形成したときの被覆形状を示した
ものである。このときの膜形成時間は７３分である。凸
部２０の側壁２１上のｋＡ　ｌ［／　／ａは凸部コＯ上
のｄ膜／／ｂに比べて極端に薄くかつ凸部２０間にある
溝部、２．２上のＵ膜／／ｃは先細の状態になっている
。このように無バイアス状態のスパッタ法で形成したｈ
ｔ膜ＩＩはスパッタ法によるシャドウウィング効果を反
映して極めて悪い被覆形状になっている。続いてバイア
ス状態にして荷電粒子をＡｔ　Ｍ　／　／に照射すると
、そのバイアス値によって人ｔｉｌｔ／／は流動をおこ
しその被覆形状が大幅に改善され、平坦性のあるＵ膜／
／’が形成される。この様子を第３図（Ｂ）及び第３図
（０１に示す。ここでバイアス値とはプラズマ発生によ
り基板電極乙に生ずる自己バイアス値を指している。こ
のバイアス値は電源７の電力が大きくなる程大きくなる
。第３図（Ｂ）はバイアス値が　−Ｉｆ！ＯＶ　（／　
０ＯＷ（Ｄ電力に対応）で７０分処理した場合のｋｔＨ
！Ｉ／／’の被覆形状を示したものである。第３図（３
）に比較すると凸部コＯ上のａ膜しハ　の両角部が丸味
を滞びかつ溝部、２２上の先細のｋｌ　ＨＩｌ、／　／
　ｃの形状が流動によ郵変化し徐々にＡｔ膜全全体平坦
になっていく過渡過程であることを示している。第３図
（０）はバイアス値が一１ｓｏ。

Ｖ（，２，２θＷの電力に対応）で７０分処理したとき
のλを膜の被覆形状を示し友ものである。　ａ膜が流動
化によ）溝部、２コを充填し溝部２λの側壁２１を良好
に被覆し平坦度がより向上されていることがわかる。

第≠図（４）は平坦度のバイアス電圧依存性を示したも
のである。平坦度は第弘図（８）に示すように、下地膜
（基板）の段差をｄ。とじ、その上に形成したａ膜の段
差上の表面段差をｄ、としたとき、ｒ＝ｉ−”＝で定義
した量で表わしている。ａ膜Ｏ の表面が完全に平坦になうたときにはγ＝ｌとなシ、下
地膜の段差をそのまま反映した人を膜のときにはγ−Ｏ
であり、下地膜の段差以上の段差で＼、。

約−８５０Ｖより絶対値で大きな値であれば下地の段差
を改善した被覆形状のよい平坦性のあるＡｔ膜を得られ
ることがわかる。ノ（イアス値は、Ａｔ膜が熔融する温
度（融点）の直前の値が上限となるＯ ここで、本発明が従来のバイアス状態くツタ法と原理を
異にするものであることを簡単に説明する。

−１８＝ 先に述べたように従来のバイアススパッタ法ではエツチ
ング現象を利用したものである。これに対して本発明で
は、バイアス状態でＡｔ膜／／　が多少エツチングはさ
れるものの、そのエツチング速度は−ざｔＯｖのバイア
スで約２　ｏ　ｏ　Ｘ−１５＋、−ｌコＯＯＶのバイア
スで約３０ｏＡ１分と極めて遅く上述のような短時間で
は幅ｉｔμｍの凸部２０の上部のＵ膜／／ｂ　を後退さ
せ平坦化をおこさせることは無理である。また仮にν膜
／／ｂの後退がおこっていると仮定してもスパッタ法で
ｋｔを供給していないので第３図（３）のように溝部、
２２で先細状態の屁膜ｔｉｃが第３図＠）のように綺麗
にＵ膜で平上昇と加速された荷電粒子の衝撃とによりλ
を膜の流動化を起こし第３図（Ｂ）及び（０）に示すよ
うに溝の底面を埋め、かつ表面の平坦化を図っている。

本発明では荷電粒子照射による人を膜の上昇温度がａ膜
の融点を越えないことが必要である。因みに温度はバイ
アス値が−ｒｊｔθＶのときは約３ｒｏ”ｃで、−／、
２００ＶＣ）ときは約ａｔＯ″Ｃ−（あった。ところで
本発明では温度の他に荷電粒子の衝撃も重要な役割を果
たしている旨を述べたが、その理由は次のような実験事
実による。第３図（４）の状態の試料を裏返しにして第
３図（０１と同じ条件で裏面に荷電粒子を照射した場合
のａ膜を状態を第５図に示した。−１，２００Ｖのバイ
アス状態で荷電粒子を基板裏面に照射した場合に、基板
は第３図（０）の場合とほぼ同じ温度になるが、人を膜
の被覆形状は第３図（４）の場合とほとんど同じで改善
されていない、ところで本実験のように基板からの熱放
欣が熱輻射によっておこるときは表面と裏面との温度差
はとんどないことが、Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＶａｃｃｕ
ｍ　５ｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｖｏｔ／
　／　（／　！Ｐ７４’年）／１７７頁〜ｔｉｅｓ頁で
明らかにされている。従って、上述の結果は温度のみが
本発明の流動をおこさせるための必須要件でないことを
示しておシ、本発明の効果実現のためには荷電粒子の衝
撃作用も必要なことを示している。

以上述べた第１の実施例では外部から積極的に基板を加
熱していない場合について説明したが、外部から強制的
にヒータ又は赤外ランプ等で基板を加熱しながら荷電粒
子の照射を行なってもよいことはいうまでもない。但し
、その場合には荷電粒子の照射と外部加熱とによる上昇
温度がａ膜の融点を越えないことが必要である。

次に、ａ膜形成時に同時にＡｔ膜の平坦化を［７で基板
電極乙に、例えば／３．ｊｔＭＨ１Ｏ高周波を印加した
状態で、同時にスパッタガンを励起しジターゲット３を
スパッタし基板上に人を膜を形成する。

この場合のａ薄膜の被覆形状を第６図（４）〜Ｑ））に
示す。幅が／、　０　／ｊｍ　ｓ高さ／、　０　／！ｔ
ｍ　％　ピッチ３．３μｍの凸部３０を有するシリコン
酸化膜上にＡｔ膜をバイアス値−ｒｚｏｖで形成した場
合の例である。

膜形成時間が短いうちは温度上昇が不充分なため豆膜３
１の被覆形状は第３図（至）はどではないがよくないそ
の後更に同じバイアス状態でａ膜３１全形成し続けると
第１の実施例で述べ念ように基板ｉｏの温度上昇と荷電
粒子の衝撃により徐々にａ膜３１流動現象がおこシ第２
図（ｎ）、第６図（０）、第を図（９）のように溝部３
．２をａ膜３１が完全に埋め込み人を膜３１の平坦化が
達成される。

この第２の実施例ではバイアスが一１ｒｊＯＶ　ｆ、第
１の実施例に比較して絶対値で低い値でも平坦性のある
膜ができているのは、基板に到達するスパッタ原子によ
る影響で上昇温度がより高くなっているためである。因
みにこの場合の基板温度は約≠１０″Ｃであった。

第を図（５）〜（９）は同一のバイアス状態で時間変化
によるａ膜の平坦度の改善具合を示したものであるが、
他のバイアス値でも同じような平坦度を得られることを
確認した。平坦度のバイアス電圧依存性を第７図に示し
た。バイアス電圧が一７００Ｖより絶対値で大きな値で
平坦度の改善が図られ、特に−ｒｏｏｖより絶対値で大
きな値で表面段差がほぼ零の平坦なａ膜を実現できる。

なおこの場合も、上昇温度がａ膜の融点を越えないバイ
アス値が上限になる。

この第２の実施例と従来のバイアススパッタ法との大き
な差は、エツチング速度／膜形成速度−几が全く異なる
点である。従来のバイアススパッタ法ではエツチングに
よる平坦化現象を利用してい〉 るので、几１腓なる条件が必要である旨が前述。

のバイアススパッタ法に関する文献に報告されている。

この条件を満足するためには膜形成速度を小さく抑える
必要がある。これに対して本発明では第を図に示すよう
にＡｔ膜の流動化が起こる一ｔｏｏｖのバイアス状態で
は几＝０．０２で、完全に平坦化がおこるー♂！Ｏｖの
バイアス状態では几＝０、　／であう、これらの几の値
の差は全く異なった原理により本発明の平坦化がおきて
いることを意味している。また第を図は、本発明の方法
によるａ膜の形成では膜形成速度がエツチング速度に比
し大きいので従来のバイアススパッタ法に比し短時間で
平坦なＡｔ膜が形成できること４示している。

上述の第２実施例においても、先に述べ走用１の実施例
と同じく基板をヒーター又は赤外ランプ等を用いて外部
的に加熱するようにしてもよい。

更に、第３の実施例と；−て第１の実施例と第一の実施
例との組合せによる形成方法がある。即ち凹凸のある基
板上に所定の膜厚のａ膜を無バイアス状態で形成した後
、基板をバイアス状態にしたまま人ｔターゲットをスパ
ッタしあらかじめ形いととはいうまでもない。

これまでの実施例はａ膜を例にとって説明し形成されて
いる基板を用いてもよいことはいうまでもない。

象を利用したものではなく、薄膜の流動現象を利用した
ものである。このＵ膜の流動現象にょシ溝部をＡｔ膜が
充填していく形態でａ膜の平坦化が進んでいく。従って
＾を膜の形成直後又はａ膜の形成初期の人を膜の被覆形
状が改善されるのま＆Ａｊ膜の流動をおこさせるのに要
する時間が・従来のバイアススパッタ法によるエツチン
グ速度より短くて済むので、本発明は平坦化に要する時
間を短くできる。更に膜形成を同時に行なう場合でも、
エツチング速度とは全く無関係に大きな膜形成速度とす
ることができるので、本発明は平坦性薄膜の形成が短時
間で出来る。

また、本発明はａ膜の流動現象を利用しているので、下
地のパターンに依存せず平坦化を実現できる等数々の利
点がある。

なお、第１及び第３の実施例においてはあらかじめａ膜
が形成されているので、荷電粒子が基板に与えるダメー
ジの軽減も図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図（至）は本発明の実施に際し使用する装置の概略
図、第１図（Ｂ）は第１図（３）のスパッタガン部分の
他の例を示す図、第一図（４）及びω）は本発明の第１
の実施例を示す図、第３図（４）〜（０）は本発明の第
１の実施例のＡｔ膜の被覆形状を示す写真、第１図（４
）は本発明の第１の実施例における。ａ膜の平坦度のバ
イアス電圧依存性を示す図、第参図（Ｂ）は平坦度の定
義を説明する九めの図、第５図は基板コの実施例のＡｔ
膜の被覆形状を示す写真、第７図は本発明の第一の実施
例におけるＡ／、膜の平坦度のバイアス電圧依存性を示
す図、＠ｒ図は本発明の第２の実施例における膜形成速
度及びエツチング速度のバイアス電圧依存性を示す図、
第９図は従来のバイアススパッタ法の原理を説明するた
−ｊｌｌ　　　　− めの図、第１Ｏ図は従来のバイアススパッタ法を示す図
。 ｌ・・・膜生成室、コ・・・スパッタガン、３・・・タ
ーゲット、！・・・サセプタ、７・・・電源、１０・・
・基板、／／・・・ａ膜１．２０・・・凸部、λｌ・・
・側壁、コ一・・・溝部、３１・・・ａ膜。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）凹凸のある基板上に薄膜を形成した後、前記薄膜
   に荷電粒子を照射し前記薄膜の上昇温度と前記荷電粒子
   の衝撃とにより前記薄膜を流動させることを特徴とする
   平坦性薄膜の形成方法。
2. （２）前記薄膜はＡｌであり、前記荷電粒子が−８５０
   Ｖより絶対値で大きなバイアスにより加速された状態で
   前記薄膜に照射され、前記薄膜の温度が前記薄膜の融点
   より低いことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   平坦性薄膜の形成方法。
3. （３）凹凸のある基板上に薄膜を形成した後、前記基板
   を外部から加熱しつつ前記薄膜に荷電粒子を照射し前記
   薄膜の上昇温度と前記荷電粒子の衝撃とにより前記薄膜
   を流動させることを特徴とする平坦性薄膜の形成方法。
4. （４）前記荷電粒子による照射と前記外部からの加熱と
   による前記薄膜の温度が前記薄膜の融点以下であること
   を特徴とする特許請求の範囲第３項記載の平坦性薄膜の
   形成方法。
5. （５）凹凸のある基板上に薄膜を形成する際に、形成さ
   れつつある薄膜に荷電粒子を照射し前記薄膜の上昇温度
   と前記荷電粒子の衝撃とにより薄膜を流動化させながら
   薄膜の形成を行なうことを特徴とする平坦性薄膜の形成
   方法。
6. （６）前記薄膜はＡｌであり、前記荷電粒子が−７００
   Ｖより絶対値で大きなバイアスにより加速された状態で
   前記薄膜に照射され、前記薄膜の温度が前記薄膜の融点
   より低いことを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の
   平坦性薄膜の形成方法。
7. （７）凹凸のある基板上に薄膜を形成する際に、前記基
   板を外部から加熱しつつかつ形成されつつある薄膜に荷
   電粒子を照射し前記薄膜の上昇温度と前記荷電粒子の衝
   撃とにより薄膜を流動化させながら薄膜の形成を行なう
   ことを特徴とする平坦性薄膜の形成方法。
8. （８）前記荷電粒子による照射と前記外部からの加熱と
   による前記薄膜の温度が前記薄膜の融点以下であること
   を特徴とする特許請求の範囲第７項記載の平坦性薄膜の
   形成方法。
9. （９）凹凸のある基板上に第１薄膜を形成した後、更に
   第１薄膜と同じ材料の第２薄膜を形成する際に形成され
   つつある第２薄膜に荷電粒子を照射し前記薄膜の上昇温
   度と前記荷電粒子の衝撃とにより薄膜を流動化させなが
   ら薄膜の形成を行なうことを特徴とする平坦性薄膜の形
   成方法。
10. （１０）前記薄膜はＡｌ膜であり、前記荷電粒子が−７
    ００Ｖより絶対値が大きなバイアスにより加速された状
    態で前記薄膜に照射され、前記薄膜の温度が前記薄膜の
    融点より低いことを特徴とする特許請求の範囲第９項記
    載の平坦性薄膜の形成方法。
11. （１１）凹凸のある基板上に第１薄膜を形成した後、更
    に第１薄膜と同じ材料の第一薄膜を形成する際に前記基
    板を外部から加熱しつつかつ形成されつつある第２薄膜
    に荷電粒子を照射し前記薄膜の上昇温度と前記荷電粒子
    の衝撃とにより薄膜を流動化させながら薄膜の形成を行
    なうことを特徴とする平坦性薄膜の形成方法。
12. （１２）前記荷電粒子による照射と前記外部からの加熱
    とによる前記薄膜の温度が前記薄膜の融点以下であるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第１１項記載の平坦性薄
    膜の形成方法。