JPS6319840A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、微細な配線構造を有する半導体装置をはじめ
とする各種電子回路装置に用いる薄膜の形成方法に係り
、特に急峻な段差構造上で信頼性が高く、かつ良好な膜
特性を有する薄膜の形成に好適な薄膜の形成方法に関す
る。

〔従来の技術〕

従来、加速粒子を用いたより平坦な薄膜形成法としては
、特開昭５０−２４０７９号に論じられているバイアス
スパッタ法が存在する。また加速粒子線そのものを用い
て薄膜形成を行なう手法としては。

１９８３年イオン工学国際会議会ＤＢ　１２０３頁−お
よび、１２２７頁−に論じられているイオン化クラスタ
線を用いた薄膜形成方法が存在する。

バイアススパッタ法では特開昭５０−２４０７９号にも
論じられているとおり、通常Ａｒガスのグロー放電を用
いて、実効的に負電位に保たれた所謂ターゲットをＡｒ
イオンで衝撃し、ターゲット構成原子をたたき出し、対
置させた基板上に薄膜を形成するとともに、基板側をも
実効的に負電位に保つておき、基板表面に堆積した膜表
面をＡｒイオン衝撃によりスパッタし、このときスパッ
タ効率の角度依存性に依り、急峻な段差形状が、なだら
かな斜面に変換されるものである。この技術では。

Ａｒイオンが基板表面に入射し、しかもスパッタを起こ
すに充分なエネルギを有していることが必要となる。こ
のために、Ａｒガスが形成された薄膜中に浅く打込まれ
た状況となり、更にその上に膜が堆積されるためしこ、
膜中にＡｒ原子を取り込んだ状態となる。これが原因と
なって、膜中の応力の増大を招き、絶縁膜の場合には熱
処理を行なったときにクラックを発生することもあり得
る６金属膜の場合には抵抗値の上昇や、熱処理を行なっ
た時に所謂ボイドを生成することがある。このボイドは
ＡＱの場合には最大で直径３μｍにも達し、微細配線形
成には大きな障害となる。

このバイアススパッタ法の応用的な方法としてプラズマ
ＣＶＤで膜形成する際に、基板側に１３．５６ＭＨ７，
の高周波を印加し、自己バイアスによって、形成される
膜表面をスパッタエツチングし、平面の平坦化を行なう
手法がある。しかしこの手法の場合も、例えばＡＱ−の
プラズマＣｖＤの場合には、セミコンダクタワールド（
２）ｐ５８〜７８　（１９８４）にも記載されているよ
うにバイアスをかけない状態でも炭素が混入し抵抗が上
昇してしまう。また絶縁物の場合でも、原料ガス中の気
体元素が混入し易く、応力の増大を招いたり、熱処理時
にクラックを生じたりし易くなる。

一方クラスタイオンビームを用いた薄膜形成で１は・通
常数百〜数千のクラスタを１価番こイオ′イヒし、数百
〜５　Ｋ　ｅ　Ｖ程度に加速して膜形成を行なう。一般
にスパッタの効果は無視し得ないとされているが、公表
されている文献を見る限りでは、段差部に於いて被覆性
は改善されているものの、平坦個の効果は認められない
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上述べてきたように、上記従来のイオンによるスパッ
タ効果を用いた平坦化技術では、膜構成元素以外の元素
の混入を避ける配慮がなされておらず、熱処理時のクラ
ックや、ボイドの発生といつた問題等があった。

本発明の目的は、従来技術で不可避的に混入していた。

バイアススパッタでのＡｒ等のスパッタカス、プラズマ
ＣＶＤ法での窒素、酸素、炭素。

水素等の原料ガスから反応により生成する気体元素原子
の混入を避けた、イオンによるスパッタ効果を用いた薄
膜の平坦化形成技術を提供し、侠い溝、細かい孔等を平
坦に埋め込み、かつ、良好な薄質の簿膜を形成する技術
を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、平坦化のためのスパッタエツチングを薄膜
構成元素のイオンもしくは高速中性粒子を用いて行なう
ことにより、達成される。特に、薄膜構成元素中の非気
体元素のイオンもしくは高速中性粒子を用いて平坦化の
ためのスパッタエツチングを行なうことにより非常に有
効に達成される。

〔作用〕

すなわち、膜形成時に、同時にもしくは交互に別に設け
たイオン源で生成した膜構成元素のイオンあるいはこれ
を中和した高速中性粒子を基板表面に照射し、これによ
り膜表面の平坦化の為のスパッタエツチングを行なうこ
とにより、所望しない不純物の混入等を避けることが可
能となる。

また膜形成そのものを該物質を主成分とするイオンもし
くはこれを主成分とする中和された高速中性粒子で行な
いながら、スパッタエツチングすることも可能である。

この際には、全く平らな部分でのスパッタ効率が１以下
で、かつ平坦化を起こすに充分な加速エネルギ値を選ぶ
必要があるこ勺 ・とはいうまでもない。

また、１つのイオン源で、加速エネルギを周期的に変化
させ、膜形成とスパッタエッチを交互に行なっても本発
明の目的は達せられる。

このような目的の為には粒子の加速エネルギは、有効な
スパッタ効率を確保する上では一般に３０ｅＶ以上が必
要であり、半導体素子等への損傷を防ぐ意味では２ｋｅ
Ｖ以下が望ましく、実用上の観点からは５０ｅＶ〜１ｋ
ｅＶの範囲が最も有効である。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。

実施例ではいずれも第２図に概念図を示したようにイオ
ン源２１０１．引出し電極系２１０２　Ｈ偏向＠極（質
量分離）系２１０３．加減速電極系２１０４、差動排気
系２１０５．イオンスパッタエッチ室２１０７から成る
イオンビームエツチング系（２１，０６はイオン源ガス
インレット）２１とターゲット２２０１．高圧電源２２
０２．スパッタガスインレット２２０３．コンダクタン
スバルブ２２０４および排気系２２０５．サセプタ用高
調波電源２２０６．スパッタデボ室２２０７から成るス
パッタ蒸着系２２およびターンテーブル式でかつ高周波
電圧を印加加能なサセプタから成る装置を用いて実験を
行なった。なお、２００１は基板２００３は基板加熱用
ヒータ２０ｏ４は処理室を示す。処理室の到達真空度は
、１０−’ｔｏｒｒである。

実施例１ 第１図を用いて説明する。第１図ａに示したように、能
動赤子（図示せず）を有する段差のあるＳｉウェーハ１
０１−ヒに絶縁膜１０２を形成した後に該絶縁膜に公知
の方法で垂直な側面を有する接続孔１０３，１０３’　
を設けた。その後にこの基板を第２図に示した装置内に
設置し、基板温度２００℃に加熱した後、第１図すに示
したようにターゲット人力５００Ｗでまず第２図のサセ
プタ２００２を回転させながら１１００ｎのＡＱ−４％
Ｓｉ合金薄膜１０４をＡｒガスを用いてスパッタ形成し
た。次いで、第１図Ｃに示すようにソースガスとしてＡ
　Ｑ、　ＣＱδを用い、ＡＱ＋イオン線１０５を加速電
圧５００Ｖ、全電流７．８ｍＡ　で基板に照射し、イオ
ンスパッタエッチ室２１０７の真空度を＜　Ｉ　Ｘ　１
０−ＢＴｏｒｒに保って、イオンスパッタエツチングを
行なうとともに、ＡＱ−１％Ｓｉ合金薄膜の形成を行な
った。先にも述べたように、サセプタを回転させている
ために、第３図に概略図を示したように３０１の領域で
はスパッタによるＡＱ−１％Ｓｉ膜の形成、３０２の領
域では。

ＡＱ＋イオンによるスパッタエツチングが行なわれ個々
のＳｉウェハ３０３はサセプタの回転に伴い、交互に膜
形成と、膜のイオンスパッタによるエツチングがなされ
ることになる。イオンビームの照射領域３０２は約１４
ｃｍφである。このとき膜の実効的な形成速度はイオン
ビームスパッタを行なう。行なわないにかかわらず約２
５０人／ｍｉｎであった。このようにして膜形成を行な
った結果が第１図ｄである。こうして形成した試料（Ａ
）および、同一の装置で、イオンビームスパッタを行な
わなかった試料（Ｂ）および、サセプタに高周波電力を
印加していわゆるバイアススパッタを行ない膜形成した
試料（Ｃ）の１μｍ口で深さ１．２μｍの孔の部分での
被覆性（最も薄い部分の膜厚の、下地の平らな部分上で
の膜厚との比率で評価）、比抵抗ＨＡ　ｒ含有率、熱処
理を行なった時のボイド、ヒロックスの密度を比較した
結果が表１である。

第１表 寧４５０℃３０分の熱処理後の値 このように、試料（Ａ）ではバイアススパッタ法の試料
（Ｃ）と同等以上の段差被覆性を示しがつ膜質は、通常
のスパッタ膜形成した試料（Ｂ）よりも優れたＡＱ膜質
を示した。

実施例２ 実施例１と同様に１１００ｎのＡ　Ｑ　−Ｓ　ｉ合金薄
膜を形成した後に、本実施例では試料を、イオンエッチ
室に止めて加速電圧１７５Ｖ、全電流Ｊ１．７ｍＡでＡ
Ｑ＋イオンを照射した。このとき平坦部でのＡＱ膜形成
速度は、約２５０人／ｍｉｎであった。

こうして膜Ｆ１．１μｍのＡＱ薄膜を形成した試料は、
１μｍ口、１．２μｍ深さの孔に対する被覆率が４０％
に低下したことを除くとその他の特性は、実施例１の試
料Ａと同等であった。

実施例３ 第２図に示した装置のスパッタ電源を高周波電源に、タ
ーゲットを石英に変えた。実施例１と同様にサセプタを
回転させながらターゲット人力１ｋＷ、Ａｒガス圧５　
ｍｔｏｒｒで１１００ｎの５ｉＯｚ膜を形成した後に、
モノシランをソースガスとして加速電圧７５０Ｖ、全イ
オン電流６２ｍＡでＳｉ＋イオンを照射しながら、スパ
ッタによる５ｉＯｚ膜形成を行ないＳｊｊ＆板上に基板
温度を１００℃以下に保ちながら約２μｍのＳｉＯ２膜
を形成した。この試料、イオン照射を行なわないで２μ
ｍの５ｉＯｚ膜を形成した試料（Ｂ）、バイアススパッ
タ法で５ｉＯｚ膜を２μｍの厚さに形成した試料（Ｃ）
の熱処理時のクラック、Ａ　ｒ含有量、弗酸系エツチン
グ液によるエツチング速度を比較した。結果は第２表に
示すとおりである１第２表 傘５℃／ｗｉｎで１０００℃迄昇温させた時のクラック
発生の有無及びその温度 １１本試料Ｂの速度を１とした時のエツチング速度比 また試料（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）と同時に厚さ１μｍの
ＡＱ配線段差を有する基板上に厚さ２．５μｍのＳ　ｊ
Ｏｘ膜を形成した試料（Ａ’　）、（Ｂ’　）。

（Ｃ′）の段差被覆性を検討したところ、試料（Ａ’　
Ｌ　（Ｃ’　）は同等の被覆性を示していた。試料（Ｂ
′）では−見良好な被覆性を示していたが、弗酸系の液
につけたところ、ＡＱ、配線段差部で異常にエツチング
速度の速い部分があり、この部分で膜質が劣化している
ことが認められた。試料（Ａ）、（Ｃ’　）ではこのよ
うなことは無かった。

このように試料（Ａ’　）、（Ａ’　）から本発明の方
法により、段差兼被覆性に優れかつ良好な膜質を示すこ
とが判った。　以上実施例ではＡＱ系薄膜およびＳｉＣ
２に対して各々ＡＱイオン、Ｓｉイオンを用いた例につ
いてのみ記載したが、本方法が原理的に他の金属薄膜や
、他の酸化膜、窒化膜に対して適用可能であることは明
らかである。

また膜形成の手法として、スパッタに限らず電子線加熱
蒸着法あるいはクラスタイオンビーム法等の他の手段を
用いても本発明の効果は失なわれることはない。

また基板として８１半導体に限られる必然性は全く無く
、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ等の他の半導体基板、金属あるいは絶
縁物基板上でも全く同等の効果が得られる。

装置についても、本装置に準するものを用いる必要はな
く、１つの処理室で、膜形成と、イオンスパッタエツチ
ングを行なうもの、全く別個の装置を、真室に保だ九だ
搬送系で連結した装置でも同等の効果が得られる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、平坦化のためのスパッタエツチング時
にＡｒなどの作動ガスなどの膜中への混入を防ぐことが
可能となり、結果として、膜質の向上や、熱処理時のク
ラック、ボイド、ヒロックの発生を防止できるという効
果がある。

また平坦化という効果を離れても、ｌｌＯ質の改善に顕
著な効果があり磁性体薄膜、誘電体薄膜への形成にも適
用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本開明の一実施例の工程を説明する縦１新面
版略図、第２図は本発明に用いた装置の構成を示す概略
図、第３図は本発明に用いた装置；￥のサセプタ上の構
成を示す概念図である。 １０１・・・Ｓｉ基板、１０２・・・絶縁膜、１０３・
・・接続孔、１０４−　Ａ　Ｑ　−Ｓ　ｉ膜、１０５−
Ａ（＋イオン、３０１・・・スパッタ膜形成領域、３０
２・・・イオンエツチング領域、３０３・・・基板、３
０４・・・サセプタ、３０５・・・イオンエツチング室
、３０６・・・ス１冒τ冒冒７′。３ １０２、絶仮嗅 １０３　・Ａ１イ↑ン 第　２２ ２１０１・イ不ンｉ気 ２１０２・引出しを仔 ２１０３偏向電待王 ２１０４・力ｌ１７５八走１針不合不 ３０２・・イオンエツチンク”任す入 ３０３−・クエハ ３０４・・・サセプタ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上に、薄膜を形成するに際し、膜形成工程と同
   時にもしくは交互に、膜構成元素を主成分とするイオン
   もしくは膜構成元素を主成分とする高速中性粒子を用い
   て物理的衝撃を用いた蝕刻工程を行なうことを特徴とす
   る薄膜の形成方法。 ２、上記膜構成元素イオンもしくは膜構成元素高速中性
   粒子の加速エネルギが５０ｅＶ〜１ｋｅＶであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の薄膜の形成方法
   。 ３、上記膜構成元素イオンもしくは膜構成元素高速中性
   粒子が、構成元素中の非気体元素イオンもしくは非気体
   元素高速中性子粒子であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項もしくは第２項記載の薄膜の形成方法。