WO2007091682A1 - 成膜方法、プラズマ成膜装置及び記憶媒体 - Google Patents

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recess
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Takashi Sakuma
Taro Ikeda
Osamu Yokoyama
Tsukasa Matsuda
Tatsuo Hatano
Yasushi Mizusawa
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Tokyo Electron Limited
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    • H01L21/76883—Post-treatment or after-treatment of the conductive material

Definitions

  • the present invention relates to a technique for embedding fine recesses formed on the surface of an object to be processed such as a semiconductor wafer by plasma sputtering.
  • a thin seed film made of a copper film is formed over the entire wafer surface including the inner surface of the recess by using a plasma notch device.
  • the entire surface of the wafer including the inner surface of the recess is subjected to copper plating to completely fill the recess. Thereafter, excess copper thin film force on the wafer surface is removed by SCMP (Chemical Mechanical Polishing) treatment.
  • SCMP Chemical Mechanical Polishing
  • the insulating layer 3 formed on the semiconductor wafer W has a recess 2 in the form of an elongated groove (trench) having a rectangular cross section, and a hole such as a via hole or a through hole on the bottom surface of the recess 2.
  • a recess 4 in the form of a (hole) is formed.
  • the lower end of the recess 4 is connected to the wiring layer 6.
  • a trench (recess 2) or a hole (recess 4) is formed alone.
  • the width and diameter of the recesses 2 and 4 are very small.
  • the vertical / horizontal dimension ratio (aspect ratio) of the recesses has increased to about 3 to 4, for example.
  • a NorN layer 8 having a TaN film and a laminated structure force of the Ta film has already been formed by a plasma sputtering apparatus.
  • a seed film 10 made of a thin copper film is formed on the entire surface of the wafer including the inner surface of the recess 4 with a plasma sputtering apparatus.
  • high-frequency bias power is applied to the semiconductor wafer side!]
  • copper metal ions are efficiently drawn.
  • the recess 4 is filled with a metal film 12 made of, for example, a copper film by performing a ternary copper plating process on the wafer surface.
  • a metal film 12 made of, for example, a copper film by performing a ternary copper plating process on the wafer surface.
  • the recess 2 in the form of the upper groove not shown in FIG. 10 is also filled with the copper plating.
  • the excess metal film 12, seed film 10 and barrier layer 8 on the surface of the wafer W are removed by CMP.
  • the deposition rate is increased by applying a bias power to the semiconductor wafer side to promote the drawing of metal ions.
  • the bias voltage is excessively increased, the wafer surface force S is sputtered and deposited once by an inert gas introduced into the processing space to generate plasma, for example, ions derived from argon gas.
  • the metal film is scraped off. For this reason, the noise power is not set so large.
  • the opening of the recess 4 is narrowed to the seed film 10 near the upper opening end of the recess 4.
  • the overhanging part 14 is generated. Due to the presence of the overhang portion 14, there is a problem that the plating solution does not sufficiently penetrate into the recess 4 during the plating process, so that a void 16 may be generated in the metal film 12.
  • the present invention has been devised to pay attention to the above problems and to effectively solve them.
  • An object of the present invention is to provide a technique that enables a fine recess to be effectively and appropriately embedded only by a plasma sputtering technique without generating a void.
  • a surface and a target object having a recess opening in the surface are arranged in a processing container.
  • the deposition rate of the metal deposition caused by the drawing of the metal particles is caused by the plasma.
  • a film forming process performed in a state set to be substantially balanced with an etching rate of the sputter etching to be generated, and a surface of the metal film deposited in the recess in a state in which metal particles are not generated from the metal target.
  • the diffusion process in which the object is maintained at a predetermined temperature at which diffusion occurs and the metal atoms constituting the metal film are moved toward the bottom of the recess, and the film formation process and the diffusion process are alternately performed. And a step of repeating the process a plurality of times.
  • the bias power is such that a base film already formed on the surface of the recess is not etched before the film forming method is performed.
  • the predetermined temperature is lower than a temperature at which body diffusion occurs in the metal atoms constituting the metal film.
  • the object to be processed is heated by collision energy of a plasma colliding therewith.
  • the said diffusion process is performed within the processing container which implemented the said film-forming process.
  • the recess is a groove having a width of lOOnm or less, or a hole having a diameter of lOOnm or less.
  • the thickness of the metal film formed per one time of the film forming process executed a plurality of times is 5 nm or less.
  • the recess is a wiring groove or hole.
  • the metal film is made of copper or a copper alloy.
  • the predetermined temperature in the diffusion step is in a range of 200 to 400 ° C.
  • the recess has a relatively narrow lower space and a relatively wide upper space
  • the lower space is formed by repeating the film forming step and the diffusion step. After the filling with the film, a plating process for filling the upper space with the plating is performed.
  • both the lower space and the upper space are filled with the metal film by repeating the film formation step and the diffusion step.
  • a film forming apparatus a processing container that can be evacuated, a mounting table for mounting an object to be processed, and processing into the processing container.
  • a gas introduction means for introducing gas, a plasma generation source for generating plasma in the processing vessel, and
  • a metal target provided in the processing vessel, and electric power for discharge to the metal target A target DC power supply to be supplied; a bias power supply for supplying bias power to the mounting table; and an apparatus control unit for controlling the operation of the entire film forming apparatus, the apparatus control unit comprising: A step of controlling the film forming apparatus to generate plasma in the processing container, and sputtering a metal target disposed in the processing container with the plasma to generate metal particles; This is a film forming step in which the bias power is applied!] And the metal particles are drawn into the recesses formed on the surface of the object to be processed and deposited in the recesses, thereby embedding the metal in the recesses.
  • the bias power is applied to the surface of the object to be processed by the sputter etching etching rate generated by the plasma, which is the deposition rate of the metal deposition caused by the drawing of the metal particles.
  • the film forming process performed in a state of being substantially balanced with the metal target, and in a state where metal particles are not generated from the metal target, surface diffusion of the metal film deposited in the concave portion occurs.
  • the diffusion process of maintaining the object to be processed at such a predetermined temperature and moving the metal atoms constituting the metal film toward the bottom of the recess, and the film formation process and the diffusion process are alternately repeated a plurality of times.
  • a film forming apparatus characterized by being configured to perform the process.
  • the mounting table includes a cooling means for cooling the object to be processed.
  • Z or the mounting table has a heating means for heating the object to be processed.
  • a gas groove for flowing heat conduction gas is formed on the surface of z or the mounting table.
  • a storage medium storing a program for controlling a film forming apparatus, wherein the film forming apparatus includes a processing container that can be evacuated, A mounting table for mounting the processing body, a gas introduction means for introducing processing gas into the processing container, a plasma generation source for generating plasma in the processing container, and a processing container. And a target DC power supply for supplying discharge power to the metal target, a bias power supply for supplying bias power to the mounting table, and a computer for controlling the operation of the entire film forming apparatus.
  • the apparatus control unit executes the program to control the film forming apparatus to generate plasma in the process container, and the process container Placed metal Sputtering the target with the plasma to generate metal particles, and applying bias power to the mounting table to draw the metal particles into the recesses formed on the surface of the object to be processed. And depositing metal in the recess, thereby forming the deposition power of the metal generated by drawing the metal particles on the surface of the object to be processed by the plasma.
  • a film forming process performed in a state that is set to be substantially balanced with an etching rate of the notch etching, and a surface diffusion of the metal film deposited in the recess in a state where metal particles are not generated from the metal target.
  • the object to be processed is maintained at a predetermined temperature so that the metal atoms constituting the metal film are directed toward the bottom of the recess.
  • a diffusion step of moving the storage medium characterized in that to perform the film forming method comprising the steps of repeating a plurality of times alternately with the deposition step and the diffusion step is provided.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a plasma film forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing the angle dependency of sputter etching.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between noise power and the film formation rate on the wafer upper surface.
  • FIG. 4 is a flowchart for explaining an example of a film forming method according to the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic sectional view of a recess for explaining each stage of the film forming method.
  • FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the action of the diffusion step.
  • FIG. 7 is an electron micrograph and a schematic diagram showing experimental results.
  • FIG. 8 is an electron micrograph and a schematic diagram showing the experimental results.
  • FIG. 9 is a cross-sectional perspective view showing an example of a recess formed on the surface of a semiconductor wafer.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view for explaining a conventional method for embedding recesses formed on the surface of a semiconductor wafer.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a plasma film forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the plasma film forming apparatus illustrated here is an ICP (Inductively Coupled Plasma) plasma sputtering apparatus. It is a position.
  • the plasma film forming apparatus 22 has a cylindrical processing vessel 24 having, for example, aluminum isotropic force.
  • the processing container 24 is electrically grounded.
  • An exhaust port 28 is provided in the bottom wall 26 of the processing vessel 24.
  • a vacuum pump 32 is connected to the exhaust port 28 via a throttle valve 30 for pressure adjustment, and thereby the inside of the processing vessel 24 can be vacuumed to a desired degree of vacuum.
  • a disk-shaped mounting table 34 having an aluminum force is provided.
  • the mounting table 34 has a mounting table main body 34A and an electrostatic chuck 34B installed on the upper surface of the mounting table 34A, and is configured so that the semiconductor wafer and W to be processed can be adsorbed and held on the electrostatic chuck 34B.
  • a gas groove 36 for flowing a heat conduction gas is formed on the upper surface of the electrostatic chuck 34B.
  • a heat conduction gas such as Ar gas
  • a DC voltage for Ueno and W adsorption is applied to the electrostatic chuck 34B as necessary.
  • the mounting table 34 is supported by a column 38 that extends downward from the center of the lower surface thereof.
  • the lower part of the support 38 penetrates the bottom wall 26 of the processing container 24.
  • the support column 38, and hence the mounting table 34 connected thereto, can be moved up and down by a lifting mechanism (not shown).
  • An elastic metal bellows 40 surrounds the column 38.
  • the upper end of the metal bellows 40 is airtightly joined to the lower surface of the mounting table 34, and the lower end is airtightly joined to the upper surface of the bottom wall 26. Accordingly, the metal bellows 40 allows the mounting table 34 to move up and down while maintaining the airtightness in the processing container 24.
  • a coolant circulation path 42 is formed as a cooling means for cooling the wafer W.
  • the refrigerant is supplied to the refrigerant circulation path 42 through the flow path (not shown) in the support column 38 and is discharged from the refrigerant circulation path 42.
  • the mounting table main body 36A is provided with heating means such as a resistance heater 44, and the wafer W can be heated as necessary.
  • cooling means 42 and heating means 44 are provided as necessary, and may be omitted depending on the processing conditions of the processing to be performed.
  • a plurality of, for example, three (for example, only two in the illustrated example) support pins 46 extend from the bottom wall 26 of the processing vessel 24 upward.
  • a pin insertion hole 48 is formed in the mounting table 34 so as to correspond to the support pin 46. Therefore, when the mounting table 34 is lowered, the upper end of the support pin 46 penetrating the pin insertion hole 48 is The wafer W is supported by this, and in this state, the wafer W can be transferred between the support pin 46 and the processing container 24 from the outside to the processing container 24 without being shown!
  • a gate valve 50 that is opened when the transfer arm is inserted is provided at the lower part of the side wall of the processing container 24.
  • a bias power supply 54 is connected to the electrostatic chuck 34B via a wiring 52.
  • a high frequency bias power of a predetermined frequency for example, 13.56 MHz, can be applied from the noise power source 54 to the mounting table 34.
  • the output power of the bias power supply 54 can be controlled as necessary.
  • a high-frequency transmissive transmitting plate 56 having a dielectric force such as aluminum oxide is attached in an airtight manner via a sealing member 58 such as an O-ring.
  • a plasma source 62 is provided in the processing space 60 in the processing container 24 to supply a gas for generating plasma (hereinafter referred to as “plasma gas”), for example, excitation energy for converting Ar gas into plasma.
  • plasma gas a gas for generating plasma
  • the plasma gas another inert gas such as He or Ne may be used instead of Ar.
  • the plasma source 62 has an induction coil 64 provided above the transmission plate 56, and a high frequency power source 66 of a predetermined frequency for generating plasma, for example, 13.56 MHz, is connected to the induction coil 64.
  • a baffle plate 68 having, for example, an aluminum force is provided immediately below the transmission plate 56 in order to diffuse the introduced high frequency.
  • a metal target 70 is provided so as to surround the upper portion of the processing space 60 and to have an annular shape, that is, a truncated cone shape that has a reduced diameter as it goes upward.
  • a variable DC power source 72 for supplying electric power for discharge is connected to the metal target 70. The DC power output from the variable DC power supply 72 can also be controlled as necessary.
  • the metal target 70 for example, a metal such as metal tantalum or copper can be used.
  • the metal target 70 is sputtered by Ar ions in the plasma, thereby releasing metal atoms or metal atomic groups from the metal target 70, and many of these ions are ionized as they pass through the plasma to form metal ions.
  • a cylindrical protective cover 74 made of, for example, aluminum is provided below the metal target 70 so as to surround the processing space 60.
  • the protective cover 74 is electrically grounded, and its lower part is bent inward and extends to the vicinity of the side of the mounting table 34.
  • a gas introduction port 76 is provided on the bottom wall of the processing container 24 as a gas introduction means for introducing a necessary gas into the processing container 24. From the gas inlet port 76, for example, Ar gas, and other necessary gas, such as N gas, are supplied as a plasma gas.
  • Various functional elements (devices, units) included in the film forming apparatus 22 are connected to an apparatus control unit 80 that also serves as a computer, for example, and each operation is controlled by the apparatus control unit 80.
  • the device control unit 80 operates the bias power source 54, the high frequency power source 66 for generating plasma, the variable DC power source 72, the gas control unit 78, the throttle valve 30, the vacuum pump 32, and the like as the functional elements.
  • the film forming apparatus 22 executes the film forming process of the metal film based on the present invention to be described later.
  • Ar gas is converted into plasma by the plasma power applied to the metal target 70 and the induction coil 64.
  • Argon ions in the plasma collide with the metal target 70, and the metal target 70 is sputtered.
  • most of the metal particles emitted from the metal target 70 specifically, metal atoms and metal atom groups, are ionized when passing through the plasma to become metal ions. That is, metal particles in which metal ions and electrically neutral metal atoms are mixed are scattered downward.
  • the metal ions are attracted to the bias power applied to the mounting table 34, enter the wafer W as metal ions with high directivity, and deposit on the wafer W.
  • the apparatus control unit 80 gives a command to output a large output to the bias power supply 54, Ar ions in the plasma can be drawn into the mounting table 34, and film formation is performed on the wafer W. Both (deposition) and sputter etching can occur simultaneously.
  • Control of various functional elements of the film forming apparatus 22 by the apparatus control unit 80 is performed by a control signal or a command signal generated by the apparatus control unit 80 executing a control program stored in the storage medium 82.
  • This control program is structured so that various functional elements of the film forming apparatus 22 can realize various processing conditions defined by a processing recipe for forming a metal film.
  • the storage medium for storing the program any storage medium known in the technical field of computers can be used. For example, a floppy disk (registered trademark) (FD), a compact disk (registered trademark) can be used. (CD), flash memory, hard disk drive, etc. can be used.
  • the film forming method described below is characterized in that a metal film is deposited by plasma sputtering inside the recess 4 formed on the surface of the wafer W, and a metal film deposited by the film forming process. And the diffusion step of moving the metal atoms constituting the substrate toward the bottom of the concave portion 4 (see FIG. 10) by surface diffusion, and alternately repeating a plurality of times.
  • the film formation process generates plasma (plasma gas ions such as Ar ions) and sputters the metal target 70 with this plasma to generate metal particles (metal ions, neutral metal atoms, neutral metal atomic groups).
  • the metal particles, particularly metal ions are drawn into the recesses 4 by bias power.
  • the bias power is applied to the surface of the wafer W so that the deposition rate of metal deposition caused by the metal particle pull-in is increased. It is set so as to be approximately balanced with the etching rate of sputter etching generated by the plasma.
  • the diffusion process is performed by maintaining the wafer W at a predetermined temperature at which the surface diffusion of the metal film deposited in the recess 4 occurs in a state where metal particles are not generated from the metal target. To do.
  • “the concave portion of the uppermost layer (the noria layer 8 in FIG. 5) “Outer surface (upper surface)”, that is, “outer surface (upper surface) of the concave portion of the object to be processed (including Ueno, W and an additional layer thereon)” in principle.
  • the term “surface of wafer W (top)” is used to avoid such complex notations.
  • the bias power is such that, on the surface of the wafer W, the deposition rate of metal particles and the sputter etching rate by plasma (Ar + ions) are roughly balanced (that is, the film growth rate is zero or very small). Set to a value.
  • the term "deposition rate” and! Mean the deposition rate assuming that there is no sputter etching, and "sputter etching rate (sputter-etch rate) ”shall mean the etching rate assuming that no metal particles are deposited. “Film-growth rate” and ⁇ ⁇ term mean “deposition rate” minus “sputter-etch rate”, in other words, apparent deposition rate. It shall be.
  • sputter surface means a surface to be sputter-etched.
  • Angle of the sputtered surface means an angle formed by the normal of the sputtered surface and the direction in which plasma (Ar ions) is incident on the sputtered surface (vertical direction in the example of FIG. 1).
  • the angle of the sputter surface on the wafer surface (the upper surface, ie, the portion outside the recess) and the bottom surface of the recess 4 are both 0 degrees, and the angle of the sputter surface on the recess side surface is 90 degrees.
  • FIG. 3 shows a wafer W (mounting table) when the plasma power and the DC power applied to the metal target 70 are constant in the ICP sputtering apparatus (film forming apparatus) as shown in FIG. 6 is a graph showing a relationship between an applied bias power and a film growth rate (“deposition rate” minus “sputter etching rate”) on a wafer surface.
  • the graph in Fig. 3 shows the relationship that holds when the target is copper and the wafer size is 200 mm.
  • the values on the vertical and horizontal axes have almost the same tendency for the curves shown in the force graph that changes as the target material or wafer size changes. As is apparent from the graph of FIG.
  • the deposition rate of metal particles exceeds the etching rate, and a high film growth rate can be obtained.
  • the increase in the etching rate of sputter etching by ions (Ar ions) derived from plasma gas accelerated by the bias power exceeds the increase in the deposition rate of metal particles, and the film growth rate increases. It will decrease.
  • film formation conditions corresponding to the region A1 in FIG. 3 that is, a high film growth rate can be obtained without increasing the bias power too much.
  • Possible film-forming conditions are used.
  • the film is formed under such conditions that the sputter etching rate is negligibly small and the amount of drawn metal ions is maximized. In this case, a considerably high film growth rate is achieved even at the bottom of the recess. Can.
  • deposition of attracted metal ions and neutral metal atoms and plasma sputter etching occur simultaneously.
  • the film is hardly formed on the surface (upper surface) of the wafer W, but the film is formed under such film forming conditions that the film is formed in the recess 4 although the amount is small.
  • the region of the graph of FIG. 3 where the deposition rate of metal particles on the wafer surface (upper surface) and the etching rate of plasma sputter etching are approximately balanced.
  • Film formation is performed under film formation conditions corresponding to A2.
  • substantially balanced in this specification is not only when the film growth rate on the wafer surface is zero, but when the film is formed under the film formation conditions corresponding to the area A1 in the graph of FIG. This includes the case where the film is formed on the upper surface of the wafer at a film growth rate up to about 3/10 of the rate. In this case, a certain amount of film is formed in the recess 4, particularly in the bottom of the recess 4.
  • the reason why the metal film is deposited in the recess 4 formed on the wafer surface even though the metal film hardly grows on the wafer surface under the above film forming conditions will be described. That is, when the metal film once deposited on the wafer surface (upper surface) is sputtered by plasma, the scattered metal particles are scattered to the inner wall surface of the processing vessel 24 and the inner wall surface of the protective cover 74. However, when the metal film once deposited in the recess 4 is sputtered by plasma in the fine recess 4 (for example, the width or diameter is less than lOOnm (see FIG. 10)), the scattered metal particles are recessed. Cannot go out of 4 and adheres again to the inner wall and bottom of recess 4. As a result, the metal film accumulates more on the inner wall surface in the recess 4, particularly on the bottom of the recess 4.
  • the mounting table 34 shown in FIG. 1 is lowered, the gate valve 50 is opened, Ueno and W are loaded into the processing container 24, and supported on the support pins 46.
  • the mounting table 34 is raised, the wafer W is mounted on the upper surface of the mounting table 34.
  • the wafer W is attracted to the upper surface of the mounting table 34 by the electrostatic chuck 34B.
  • the film forming process is started.
  • the recesses 2 and 4 On the surface (upper surface) of the wafer W, here, on the surface (upper surface) of the insulating layer 3 formed on the wafer W, the recesses 2 and 4 having the structures shown in FIGS. 9 and 10 are already formed.
  • the upper concave portion 2 also has a trench, that is, an elongated groove force, and is formed on the bottom surface of the concave portion 2 so that the lower concave portion 4 reaches the wiring layer 6 as a via hole or a through hole, that is, a hole. That is, overall, a relatively large upper space (2) and relative A stepped recess having a narrow space (4) is formed on the surface of the wafer W.
  • FIG. 5 only the lower recess 4 is shown for simplicity of the drawing and explanation.
  • the film forming process will be described assuming that the film is formed in the recess 4 shown in FIG.
  • a barrier layer is formed first.
  • a film forming apparatus having the structure shown in FIG. 1 can be used.
  • tantalum (Ta) is used as the metal target 70.
  • plasma power is applied to the induction coil 64 of the plasma source 62, and a predetermined bias power is applied from the bias power source 54 to the electrostatic chuck 34 B of the mounting table 34. Further, a predetermined DC power is applied to the metal target 70 from the variable DC power source 72.
  • a gas for generating plasma such as Ar gas and a nitriding gas such as N gas are introduced into the processing vessel 24 from the gas inlet port 78.
  • the TaN film is formed substantially uniformly not only on the upper surface of the wafer W but also on the side surface and the bottom surface in the recess 4.
  • the TaN film can be formed by a conventional method.
  • the bias power is in the range corresponding to the area A1 in Fig. 3, specifically about 100W (watts).
  • the Ta film is deposited on the TaN film under the same process conditions as when the TaN film was formed.
  • a Ta film can also be formed by a conventional method.
  • the bias power is in a range corresponding to the area A1 in FIG.
  • a barrier layer 8 made of a TaNZTa film is formed as a base film (see S1 in FIG. 4 and FIG. 5A).
  • the barrier layer 8 may have a single-layer structure that only has a Ta film! /.
  • a film forming apparatus for forming a copper (Cu) film which is different from the film forming apparatus used for forming the nora layer 8, is formed on the wafer W on which the nora layer 8 is formed (also in FIG. 1). (Having the structure shown). Transport is done without exposing to the wafer W atmosphere. If it is preferable to connect the film forming device for forming the barrier layer and the film forming device for forming the Cu film via a transfer chamber that can be evacuated, a vacuum atmosphere can be obtained without exposing the wafer W to the atmosphere. It can be transported between both film forming devices.
  • copper is used as the metal target 70.
  • plasma is applied to the induction coil 64 of the plasma source 62. Electric power is applied, and a predetermined bias power is applied from the bias power source 54 to the electrostatic chuck 34B of the mounting table 34. Further, a predetermined DC power is applied to the metal target 70 from the variable DC power source 72. Further, a gas for generating plasma, such as Ar gas, is supplied from the gas inlet 78 into the processing vessel 24.
  • the bias power is set within a range corresponding to the region A2 in the graph of FIG. 3, so that the metal particle deposition rate on the wafer surface (upper surface) and the plasma sputter etching rate are approximately balanced.
  • a metal film 90 made of a Cu film is formed on the inner wall surface of the recess 4 (S2 in FIG. 4).
  • the metal film once deposited on the upper surface of the wafer W jumps out as metal particles when hit by plasma ions, and hardly reattaches to the upper surface of Ueno and W.
  • the thickness of the metal film 90 deposited on the upper surface of the wafer HI is almost zero and very little if any. If the width of the upper recess 2 is considerably wider than lOOnm, a certain amount of metal film may be deposited on the upper surface of the wafer W.
  • the metal particles scattered by being hit by the plasma ions that have entered the recesses 4 having a width or diameter of less than lOOnm and narrower adhere to the inner wall surface and bottom of the recesses 4 and deposit again.
  • the thickness H2 of the metal film 90 on the side surface of the recess 4 becomes a certain level
  • the thickness H3 of the metal film 90 on the bottom surface is the largest. That is, the film thickness becomes HKH2 and H3.
  • the film formation time is set so that the thickness H2 of the metal film 90 on the side surface of the recess 4 is 5 nm or less, preferably 1 to 2 nm. If the thickness of the metal film 90 on the side surface of the recess 4 is larger than 5 nm, Cu aggregation occurs in the next diffusion process, and the diffusion treatment of the Cu metal film 90 cannot be performed satisfactorily. When this happens, surface diffusion occurs only in the surface layer portion of the metal film 90 on the side surface of the recess 4 and the lower layer portion remains in its original position. When this is repeated, the same voids as those obtained when the film was formed by the conventional method (FIG. 10). (Refer to (C)).
  • the bias power is a value corresponding to the point XI at which the film formation rate on the wafer upper surface becomes zero, and corresponds to the point X2 at which etching of the barrier layer 8 is started. Value to be, or about 200W It is preferable to set. In this film forming process, it is preferable to cool the mounting table 34 by flowing a coolant through the coolant circulation path 42.
  • a diffusion process is performed (S3 in FIG. 4). This diffusion process is performed in the processing container 24 of the same film forming apparatus as that in which the film forming process is performed.
  • the wafer temperature is raised to a predetermined temperature at which surface diffusion of the Cu metal film 90 occurs, and is maintained at that temperature, whereby Cu atoms in the metal film 90 are recessed as shown in FIG. Move towards the bottom of 4.
  • the variable DC power source 72 is turned OFF so that metal (Cu) particles do not protrude from the metal target 70.
  • both the high frequency power supply 66 and the bias power supply 54 are kept ON, and the supply of Ar gas is also continued. Therefore, Ar gas-derived plasma, that is, argon ions P continues to be generated in the processing chamber 24, and the argon ions P are attracted to the wafer W by the bias power and collide with the wafer W. Due to the heat energy generated by this collision, WUE and W are heated.
  • the power of the bias power supply 54 is set to such a small value that the deposited Cu film is not etched again.
  • the temperature force of the wafer W is a temperature at which surface diffusion of Cu atoms occurs, and a temperature at which body diffusion does not occur, that is, a range of 200 to 400 ° C. To do.
  • metal atoms (Cu atoms) 90A of the metal film 90 deposited on the side surfaces of the recesses 4 are formed on the bottoms of the recesses 4 having a large mass. The film is drawn into a certain metal film 90, and the film thickness at the bottom of the recess 4 increases from H3 to H4 (see FIG. 5C).
  • metal atoms (Cu atoms) 90 B of the metal film 90 deposited on the upper surface of the wafer W outside the recess 4 are also drawn into the recess 4. Therefore, the bottom of the recess 4 is preferentially embedded by the film forming process and the subsequent diffusion process.
  • the wafer W may be heated excessively, for example, to 400 ° C or higher. It is desirable to set the bias power low so that In addition, when the wafer temperature rises to a temperature at which body diffusion occurs in the Cu atoms constituting the metal film 90, the molten Cu becomes a lump, and the noise power can be set low so that this can be prevented. Desirable.
  • a heat transfer gas is supplied to the gas groove 36. The gas groove 36 may be evacuated to prevent heat conduction from the wafer W to the mounting table 34.
  • the mounting table 34 may be heated by energizing the resistance heater 44.
  • the diffusion process is performed for a predetermined time, for example, several tens of seconds.
  • the temperature of the mounting table 34 may be increased so that surface diffusion occurs at all during the deposition process.
  • the above-described film forming step S2 and diffusion step S3 are alternately performed a predetermined number of times (number of cycles) (NO in S4 in FIG. 4).
  • a Cu metal film 90 is formed again in the second deposition process, and subsequently, in the second diffusion process, the second deposition process is performed, as shown in FIG. 5 (E).
  • Cu atoms constituting the metal film 90 formed in the film process diffuse and move and are drawn into the bottom of the recess 4.
  • the film forming process S2 and the diffusion process S3 are repeatedly performed a predetermined number of times, for example, several tens of times (YES in S4 in FIG. 4)
  • the recess 4 is almost completely filled with Cu as shown in FIG. 5 (F). It will be in the state. When this state is reached, the film forming process is terminated.
  • High frequency power supply for plasma 66 Power 4 ⁇ 5.3 kW eg 5. 25kW
  • Variable DC power supply 72 power 0.5-2kW eg 1.2kW
  • Process time eg 20 seconds (this depends on the film thickness to be deposited)
  • High frequency power supply for plasma 66 Power 4 ⁇ 5.3 kW eg 5. 25kW
  • Bias power supply 54 power 50W or less, eg 35W Process time: eg 30 seconds (this depends on the film thickness to be deposited)
  • the film forming process and the diffusion process are repeatedly and alternately performed as described above, so that the fine recesses 4 can be properly formed in the order of the bottom side force without causing defects such as voids. Can be embedded in.
  • the fine recess 4 can be filled with a metal such as copper by only plasma sputtering without using a plating process. This avoids problems that can occur when embedding by plating treatment, such as inhibition of Cu grain growth by the additive of the plating solution, and is therefore sufficient for fully grown Cu grains.
  • the wiring film can be formed, and the reliability of the wiring film can be improved.
  • the recess 4 is embedded with Cu alloy instead of Cu, a Cu alloy target may be used.
  • 1S showing the case where only the narrow lower concave portion 4 is embedded 1S
  • the film forming step S2 and the diffusion step S3 are further alternately repeated following the step shown in FIG. 5 (F).
  • the upper recessed portion 2 may be embedded. If the upper concave portion 2 is wide, for example, if the width or diameter is larger than lOOnm, the metal film 90 embedded in the lower concave portion 4 is removed from the lower electrode after the process shown in FIG. It can also be used as a copper plating process to fill the upper recess 2. If the width or diameter of the upper concave portion 2 is large, the additive in the plating solution can be removed from the metal film by performing the annealing treatment after the plating treatment.
  • the frequency of the high frequency power supply is not limited to 13.56 MHz, but may be another frequency, for example, 27. OMHz.
  • the inert gas for plasma generation is not limited to Ar gas, but other inert gases such as He and Ne can be used.
  • the object to be processed is not limited to a semiconductor wafer, but may be an LCD substrate, a glass substrate, a ceramic substrate, or the like.
  • FIG. 7 shows the result obtained by the conventional method (without the diffusion step), and (B) shows the result obtained by the method of the present invention (the state during the embedding).
  • the upper part of FIG. 7 shows a cross-sectional electron micrograph of a trench embedded with copper, and the lower part shows a schematic diagram for explaining the photograph.
  • the process conditions of the method of the present invention are the same as the specific process conditions described above.
  • FIG. 7 (A) in the conventional method, an overhang grew near the opening end of the recess to form a bridge, and a void was generated below the bridge.
  • FIG. 7 (B) in the method of the present invention, it can be seen that the inside of the recess is being well embedded from the bottom without generating voids.
  • Fig. 8 (A) shows the results of Cu embedding in the trench
  • Fig. 8 (B) shows the results of Cu embedding in the holes.
  • the upper part is an electron micrograph
  • the left side is a cross-sectional photograph after 10 cycles of the film formation process and the diffusion process
  • the center is the film formation process and the diffusion process after 20 cycles.
  • the right side is a photograph taken from an oblique direction after 20 cycles of the film formation process and the diffusion process.
  • a schematic diagram for explaining the photograph is displayed below each photograph.
  • FIG. 8 (A) As shown in FIG. 8 (A), as the processing cycle (deposition process + diffusion process) progresses from 10 cycles to 20 cycles, the trench is gradually embedded from the bottom where no internal voids are generated. It was. As is clear from Fig. 8 (B), as the processing cycle progressed from 10 cycles to 20 cycles, the inside of the hole was buried without generating voids.

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Abstract

　被処理体例えば半導体ウエハＷの表面に形成された凹部、特に直径または幅が１００ｎｍ以下の微細なホールまたはトレンチを、プラズマスパッタリングのみによって、金属特に銅で埋め込むことを可能とする技術が開示される。凹部内に少量の金属膜を堆積させる成膜工程と、この堆積させた金属膜を凹部の底部に向けて移動させる拡散工程とが交互に複数回実行される。成膜工程においてはウエハＷの表面において、金属粒子の引き込みにより生じる金属の堆積の堆積レートがプラズマにより生じるスパッタエッチングのエッチングレートと概ね均衡するように、ウエハＷを支持する載置台に印加されるバイアス電力が設定される。拡散工程においては、凹部内に堆積させた金属膜の表面拡散が生じるような温度にウエハＷを維持する。

Description

明 細 書
成膜方法、プラズマ成膜装置及び記憶媒体
技術分野
[0001] 本発明は、半導体ウェハ等の被処理体の表面に形成されている微細な凹部をブラ ズマスパッタリングにより埋め込む技術に関する。
背景技術
[0002] 一般に、半導体デバイスを製造するには、半導体ウェハに成膜処理、パターンエツ チング処理等の各種の処理が繰り返し行われる。半導体デバイスの更なる高集積ィ匕 及び高微細化の要請より、線幅やホール径が益々微細化されている。その結果、配 線材料および埋め込み材料の電気抵抗をより小さくする必要が生じて 、る。このため 、配線材料および埋め込み材料として、電気抵抗が非常に小さくて且つ安価である 銅を用いる傾向にある。そして、銅を配線材料および埋め込み材料として用いる場合 には、一般的には、タンタル金属 (Ta)および Zまたはタンタル窒化膜 (TaN)がバリ ャ層として用いられる。
[0003] 一般的に、ウェハ表面に形成された凹部に銅を埋め込む際には、まず、プラズマス ノッタ装置を用いて凹部の内面を含むウェハ表面全域に銅膜からなる薄いシード膜 を形成し、次に、凹部の内面を含むウェハ表面全域に銅メツキ処理を施すことにより 凹部内を完全に埋め込む。その後、ウェハ表面の余分な銅薄膜力 SCMP (Chemical Mechanical Polishing)処理により取り除かれる。
[0004] この手順について図 9及び図 10を参照して説明する。図 9に示すように、半導体ゥ エノ、 W上に形成された絶縁層 3に、矩形断面の細長い溝（トレンチ）の形態の凹部 2 と、凹部 2の底面にビアホール若しくはスルーホールのような孔（ホール）の形態の凹 部 4が形成されている。凹部 4の下端は配線層 6に接続されている。凹部 4を導電部 材で埋め込むことにより、凹部 2内に埋め込まれる配線材料と配線層 6との間の導通 が確保される。このような構造はデュアルダマシン（Dua卜 Damascene)構造と呼ばれる 。トレンチ（凹部 2)またはホール（凹部 4)が単独で形成されている場合もある。近年 では、設計ルールの微細化に伴い、凹部 2および凹部 4の幅および直径は非常に小 さくなつており、これに伴い、凹部の縦横寸法比（アスペクト比）は例えば 3〜4程度と 大きくなつている。
[0005] 図 10を参照して、ホールの形態の凹部 4を銅で埋め込む方法について説明する。
図 10 (A)に示すように、凹部 4の内面を含む半導体ウェハ Wの表面には、 TaN膜及 び Ta膜の積層構造力もなるノリャ層 8が、プラズマスパッタ装置にて既に形成されて いる。このウェハ Wに対して、まず図 10 (B)に示すように、プラズマスパッタ装置にて 、凹部 4の内面を含むウェハ表面全域に薄い銅膜からなるシード膜 10を形成する。 シード膜 10を形成する際、半導体ウェハ側に高周波バイアス電力を印力!]して、銅の 金属イオンの引き込みを効率良く行う。次いで、図 10 (C)に示すように、ウェハ表面 に 3元系銅メツキ処理を施すことにより凹部 4内を例えば銅膜からなる金属膜 12で埋 め込む。この時、図 10に図示されていない上段の溝の形態の凹部 2内も銅メツキによ り埋め込まれる。その後、ウェハ W表面の余分な金属膜 12、シード膜 10及びバリヤ 層 8を、 CMP処理により取り除く。
[0006] 一般的に、プラズマスパッタ装置で成膜を行う場合、半導体ウェハ側にバイアス電 力を印カロして金属イオンの引き込みを促進させることによって、成膜レートを大きくし ている。このとき、バイアス電圧を過度に大きくすると、プラズマを発生させるために処 理空間内に導入されている不活性ガス、例えばアルゴンガスに由来するイオンにより 、ウェハ表面力 Sスパッタされて、一度堆積した金属膜が削り取られてしまう。このため 、 ノィァス電力はそれ程大きくは設定されていない。
[0007] 上記のように銅膜からなるシード膜 10を形成する場合、図 10 (B)に示すように、凹 部 4の上部開口端近傍のシード膜 10に、凹部 4の開口を狭めるように突出するォー バハング部分 14が発生する。このオーバーハング部分 14の存在によりメツキ処理時 にメツキ液が凹部 4内に十分に浸透せず、このために金属膜 12内にボイド 16が発生 する場合がある、という問題がある。
[0008] ボイド 16の発生を防止するために、銅メツキを行う際にメツキ液中に種々の添加剤 を加えて、凹部 4底部への銅膜の堆積を促進させボトムアップで凹部を埋め込むこと が行われている。このような添加剤は、銅メツキ処理直後には銅メツキ膜中に僅かに 残留している力 メツキ処理後に一般的に行われる高温ァニール処理により取り除く ことができる。
[0009] しかしながら、線幅および穴径が lOOnm以下と微細な場合、高温ァニール処理で 今まで容易に除去できて 、た添加剤を十分に除去することができな 、と 、う問題があ る。銅膜中に添加剤が残留していると、配線の抵抗値が大きくなつて設計通りの電気 特性が得られなくなる。それだけでなぐ残留添加剤は、ァニール処理時における銅 グレイン (grain)の成長を抑制し、銅膜の信頼性を低下させてしまう。
[0010] 上記の添加剤による問題をなくすために、メツキ処理を用いないで凹部 4内の全て をプラズマスパッタによって埋め込むことも検討されている。しかし、この場合にも、前 述したようにオーバハング部 14が凹部 4の開口端に形成されることにより、凹部内部 に金属粒子が到達し難くなり、ボイド 16の発生が避けられない。この問題を解決する ため、 日本国特許公開公衞 P10— 74760Aおよび JP10— 214836Aに示されるよ うに、堆積した金属膜を高温で溶融してリフローさせて、凹部内を埋め込むことも考え られる。しかし、埋め込み材料が低融点のアルミニウムの場合にはリフロー処理が可 能である力 埋め込み材料が高融点の銅の場合にはリフローが非常に起こり難ぐ上 記のリフロー処理は銅の場合には現実的な解決策にはなり得ない。
発明の開示
[0011] 本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたもの である。本発明の目的は、微細な凹部を、ボイドを発生させることなぐプラズマスパッ タ技術のみにより効果的かつ適正に埋め込むことを可能とする技術を提供することに ある。
[0012] 上記の目的を達成するため、本発明の第 1の観点によれば、成膜方法において、 表面と、この表面に開口する凹部を有する被処理体を、処理容器内に配置された載 置台の上に載置する工程と、前記処理容器内でプラズマを発生させて、前記処理容 器内に配置された金属ターゲットを前記プラズマによりスパッタして金属粒子を発生 させる工程と、前記載置台にバイアス電力を印加して、前記金属粒子を前記凹部内 に引き込んで前記凹部内に堆積させ、これにより前記凹部に金属を埋め込む工程と 、を含む成膜工程であって、前記バイアス電力を、前記被処理体の表面において、 前記金属粒子の引き込みにより生じる金属の堆積の堆積レートが前記プラズマにより 生じるスパッタエッチングのエッチングレートと概ね均衡するように設定した状態で行 われる成膜工程と、前記金属ターゲットから金属粒子が発生しないような状態で、前 記凹部内に堆積させた前記金属膜の表面拡散が生じるような所定の温度に前記被 処理体を維持し、前記金属膜を構成する金属原子を前記凹部の底部に向けて移動 させる拡散工程と、前記成膜工程と前記拡散工程とを交互に複数回繰り返す工程と を備えたことを特徴とする成膜方法が提供される。
[0013] 好ましくは、前記バイアス電力は、この成膜方法を実施する前に前記凹部の表面に 既に形成されている下地膜がエッチングされないような大きさである。また、好ましく は、前記所定の温度は、前記金属膜を構成する金属原子に体拡散が生じる温度より も低い。好ましくは、前記拡散工程において、前記被処理体は、そこに衝突するブラ ズマの衝突エネルギにより加熱される。好適には、前記拡散工程は、前記成膜工程 を実施した処理容器内で実行される。
[0014] 好ましくは、前記凹部は、幅が lOOnm以下の溝、または直径が lOOnm以下の孔 である。また、好ましくは、複数回実行される前記成膜工程の一回あたりに成膜される 前記金属膜の厚さは 5nm以下である。また、好ましくは、前記凹部は、配線用の溝ま たは孔である。
[0015] 好ましくは、前記金属膜は、銅または銅合金からなる。また、好ましくは、前記拡散 工程における前記所定の温度は 200〜400°Cの範囲内である。
[0016] 一実施形態において、前記凹部は、相対的に狭い下部空間と相対的に広い上側 空間とを有しており、前記下部空間が前記成膜工程及び前記拡散工程の繰り返しに より前記金属膜により埋め込まれた後に、前記上部空間をメツキにより埋め込むメツキ 工程が実行される。別の実施形態においては、前記下部空間及び前記上部空間の 両方が、前記成膜工程及び前記拡散工程の繰り返しにより前記金属膜により埋め込 まれる。
[0017] 本発明の第 2の観点によれば、成膜装置であって、真空引き可能になされた処理 容器と、被処理体を載置するための載置台と、前記処理容器内へ処理ガスを導入す るガス導入手段と、前記処理容器内へプラズマを発生させるためのプラズマ発生源と
、前記処理容器内設けられた金属ターゲットと、前記金属ターゲットへ放電用電力を 供給するターゲット用の直流電源と、前記載置台に対してバイアス電力を供給するバ ィァス電源と、この成膜装置全体の動作を制御する装置制御部と、を備え、前記装置 制御部は、この成膜装置を制御して、前記処理容器内でプラズマを発生させて、前 記処理容器内に配置された金属ターゲットを前記プラズマによりスパッタして金属粒 子を発生させる工程と、前記載置台にバイアス電力を印力!]して、前記金属粒子を前 記被処理体の表面に形成された凹部内に引き込んで前記凹部内に堆積させ、これ により前記凹部に金属を埋め込む成膜工程であって、前記バイアス電力を、前記被 処理体の表面において、前記金属粒子の引き込みにより生じる金属の堆積の堆積レ ートが前記プラズマにより生じるスパッタエッチングのエッチングレートと概ね均衡す るように設定した状態で行われる成膜工程と、前記金属ターゲットから金属粒子が発 生しないような状態で、前記凹部内に堆積させた前記金属膜の表面拡散が生じるよ うな所定の温度に前記被処理体を維持し、前記金属膜を構成する金属原子を前記 凹部の底部に向けて移動させる拡散工程と、前記成膜工程と前記拡散工程とを交互 に複数回繰り返す工程と、を実行させるように構成されて ヽることを特徴とする成膜装 置が提供される。
[0018] 一実施形態にお!、て、前記載置台は、前記被処理体を冷却する冷却手段を有す る。これに加えて Z或いは、前記載置台は、前記被処理体を加熱する加熱手段を有 する。これに加えて z或いは、前記載置台の表面には、熱伝導ガスを流すためのガ ス溝が形成されている。
[0019] 本発明の第 3の観点によれば、成膜装置を制御するためのプログラムが記憶された 記憶媒体であって、前記成膜装置が、真空引き可能になされた処理容器と、被処理 体を載置するための載置台と、前記処理容器内へ処理ガスを導入するガス導入手段 と、前記処理容器内へプラズマを発生させるためのプラズマ発生源と、前記処理容 器内設けられた金属ターゲットと、前記金属ターゲットへ放電用電力を供給するター ゲット用の直流電源と、前記載置台に対してバイアス電力を供給するバイアス電源と 、この成膜装置全体の動作を制御するコンピュータの形態の装置制御部と、を備えて おり、前記装置制御部が前記プログラムを実行することにより、前記成膜装置を制御 して、前記処理容器内でプラズマを発生させて、前記処理容器内に配置された金属 ターゲットを前記プラズマによりスパッタして金属粒子を発生させる工程と、前記載置 台にバイアス電力を印加して、前記金属粒子を前記被処理体の表面に形成された 凹部内に引き込んで前記凹部内に堆積させ、これにより前記凹部に金属を埋め込む 成膜工程であって、前記バイアス電力を、前記被処理体の表面において、前記金属 粒子の引き込みにより生じる金属の堆積の堆積レートが前記プラズマにより生じるス ノ ッタエッチングのエッチングレートと概ね均衡するように設定した状態で行われる成 膜工程と、前記金属ターゲットから金属粒子が発生しないような状態で、前記凹部内 に堆積させた前記金属膜の表面拡散が生じるような所定の温度に前記被処理体を 維持し、前記金属膜を構成する金属原子を前記凹部の底部に向けて移動させる拡 散工程と、前記成膜工程と前記拡散工程とを交互に複数回繰り返す工程と、を含む 成膜方法を実行させることを特徴とする記憶媒体が提供される。
図面の簡単な説明
[0020] [図 1]本発明の一実施形態に係るプラズマ成膜装置の構成を示す概略断面図である
[図 2]スパッタエッチングの角度依存性を示すグラフである。
[図 3]ノィァス電力とウェハ上面の成膜レートとの関係を示すグラフである。
[図 4]本発明による成膜方法の一例を説明するフローチャートである。
[図 5]成膜方法の各段階を説明するための、凹部の概略断面図である。
[図 6]拡散工程の作用を説明するための模式図である。
[図 7]実験結果を示す電子顕微鏡写真および模式図である。
[図 8]実験結果を示する電子顕微鏡写真および模式図である。
[図 9]半導体ウェハの表面に形成された凹部の一例を示す断面斜視図である。
[図 10]半導体ウェハの表面に形成された凹部を埋め込む従来方法を説明するため の概略断面図である。
発明を実施するための最良の形態
[0021] 以下に、本発明の好適な実施形態について添付図面を参照して説明する。図 1は 本発明の一実施形態に係るプラズマ成膜装置の構成を示す断面図であり、ここに例 示されたプラズマ成膜装置は ICP (Inductively Coupled Plasma)プラズマスパッタ装 置である。プラズマ成膜装置 22は、例えばアルミニウム等力もなる筒形の処理容器 2 4を有している。処理容器 24は電気的に接地されている。処理容器 24の底壁 26に 排気口 28が設けられている。排気口 28には、圧力調整用のスロットルバルブ 30を介 して真空ポンプ 32が接続されており、これにより処理容器 24内を所望の真空度に真 空引きすることができる。
[0022] 処理容器 24内には、例えばアルミニウム力もなる円板形の載置台 34が設けられる 。載置台 34は、載置台本体 34Aと、その上面に設置される静電チャック 34Bとを有し 、静電チャック 34B上に被処理体である半導体ウエノ、 Wを吸着して保持できるように 構成されている。静電チャック 34Bの上面には、熱伝導ガスを流すガス溝 36が形成 されて ヽる。必要に応じて Arガス等の熱伝導ガスをガス溝 36に供給することにより、 ウエノ、 Wと載置台 34との間の熱伝導を向上させることができる。静電チャック 34Bに は、必要に応じてウエノ、 W吸着のための直流電圧が印加される。載置台 34は、その 下面の中心部から下方へ延びる支柱 38により支持されている。支柱 38の下部は、処 理容器 24の底壁 26を貫通している。図示しない昇降機構により、支柱 38、従ってこ れに接続された載置台 34は、昇降可能である。
[0023] 伸縮可能な金属べローズ 40が支柱 38を囲んでいる。金属べローズ 40の上端は載 置台 34の下面に気密に接合され、下端が底壁 26の上面に気密に接合されている。 従って、金属べローズ 40は、処理容器 24内の気密性を維持しつつ載置台 34の昇 降移動を許容する。載置台 34の載置台本体 34Aには、ウェハ Wを冷却する冷却手 段として、冷媒循環路 42が形成されている。支柱 38内の図示しない流路を介して、 冷媒が冷媒循環路 42に供給され、また、冷媒循環路 42から排出される。載置台本 体 36Aには、加熱手段例えば抵抗加熱ヒータ 44が設けられており、必要に応じてゥ ェハ Wを加熱することができる。
[0024] これらの冷却手段 42や加熱手段 44は必要に応じられて設けられるものであり、実 行される処理の処理条件によっては、省略することができる。処理容器 24の底壁 26 から、上方に向けて複数例えば例えば 3本（図示例では 2本のみ記す)の支持ピン 46 が延びている。支持ピン 46に対応させて、載置台 34にピン揷通孔 48が形成されて いる。従って、載置台 34を降下させるとピン揷通孔 48を貫通した支持ピン 46の上端 でウェハ Wが支持され、この状態で、当該支持ピン 46と処理容器 24外部から処理容 器 24内に侵入する図示しな!、搬送アームとの間でウェハ Wの受け渡しができる。処 理容器 24の側壁の下部には、上記搬送アームを侵入させる際に開かれるゲートバ ルブ 50が設けられている。
[0025] 静電チャック 34Bには配線 52を介してバイアス電源 54が接続されている。ノ ィァス 電源 54から載置台 34に所定周波数例えば 13. 56MHzの高周波バイアス電力を印 加することができる。バイアス電源 54の出力電力は必要に応じて制御可能である。
[0026] 処理容器 24の天井部には、例えば酸ィ匕アルミニウム等の誘電体力もなる高周波透 過性の透過板 56が、 Oリング等のシール部材 58を介して気密に取り付けられている 。処理容器 24内の処理空間 60に、プラズマを生成するためのガス（以下「プラズマガ ス」と称する）例えば Arガスをプラズマ化するための励起エネルギを供給するプラズ マ源 62が設けられる。プラズマガスとして、 Arに代えて他の不活性ガス、例えば He、 Ne等を用いてもよい。具体的には、プラズマ源 62は透過板 56上方に設けられた誘 導コイル 64を有しており、この誘導コイル 64にはプラズマ発生用の所定周波数例え ば 13. 56MHzの高周波電源 66が接続されている。高周波電源 66から誘導コイル 6 4に高周波電力（プラズマ発生用電力）を印加することにより、透過板 56を介して処 理空間 60内に高周波電磁界を導入することができる。高周波電源 66から出力される プラズマ発生用電力も必要に応じて制御可能である。
[0027] 透過板 56の直下には、導入される高周波を拡散させるために、例えばアルミニウム 力もなるバッフルプレート 68が設けられている。バッフルプレート 68の下方には、処 理空間 60の上部を囲むようにして、上方にゆくに従い縮径する環状の、すなわち截 頭円錐の錐面の形状を有する、金属ターゲット 70が設けられている。金属ターゲット 70には、放電用電力を供給するための可変直流電源 72が接続されている。可変直 流電源 72から出力される直流電力も必要に応じて制御できる。金属ターゲット 70とし ては、例えば金属タンタルまたは銅などの金属を用いることができる。金属ターゲット 70は、プラズマ中の Arイオンによりスパッタされ、これにより金属ターゲット 70から金 属原子或いは金属原子団が放出され、これらの多くはプラズマ中を通過する際にィ オンィ匕されて金属イオンとなる。 [0028] 金属ターゲット 70の下方には、処理空間 60を囲むようにして例えばアルミニウムか らなる円筒形の保護カバー 74が設けられている。保護カバー 74は電気的に接地さ れると共に、その下部は内側へ屈曲されて載置台 34の側部近傍まで延びている。処 理容器 24の底壁には、処理容器 24内へ必要とされるガスを導入するガス導入手段 として例えばガス導入口 76が設けられている。ガス導入口 76から、プラズマガスとし て例えば Arガス、および他の必要なガス例えば Nガスが、ガス流量制御器及びバ
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ルブ等を備えたガス制御部 78を介して、図示しな ヽ処理ガス供給源から供給される
[0029] 成膜装置 22に含まれる各種の機能要素 (デバイス、ユニット）は、例えばコンビユー タカもなる装置制御部 80に接続されており、この装置制御部 80により各々の動作が 制御される。具体的には、装置制御部 80は、前記機能要素としてのバイアス電源 54 、プラズマ発生用の高周波電源 66、可変直流電源 72、ガス制御部 78、スロットルバ ルブ 30及び真空ポンプ 32等の動作を制御し、後述する本発明に基づく金属膜の成 膜処理を成膜装置 22に実行させる。
[0030] まず、装置制御部 80の制御の下で、真空ポンプ 32を動作させることにより真空にさ れた処理容器 24内に、ガス制御部 78を動作させつつ Arガスを流し、スロットルバル ブ 30を制御して処理容器 24内を所定の真空度に維持する。その後、可変直流電源 72により直流電力を金属ターゲット 70に印加し、高周波電源 66により誘導コイル 64 に高周波電力（プラズマ発生用電力）を印加する。また、装置制御部 80はバイアス電 源 54にも指令を出し、載置台 34に対して所定のバイアス電力を印加する。
[0031] このような状態となった処理容器 24では、金属ターゲット 70及び誘導コイル 64に印 カロされたプラズマ電力により Arガスがプラズマ化される。プラズマ中のアルゴンイオン は金属ターゲット 70に衝突し、金属ターゲット 70がスパッタされる。これにより金属タ 一ゲット 70から放出された金属粒子、具体的には金属原子及び金属原子団は、その 多くがプラズマ中を通る際にイオンィ匕されて金属イオンとなる。すなわち、金属イオン 及び電気的に中性な中性金属原子とが混在する金属粒子が、下方に飛散してゆく。 そして、金属イオンは、載置台 34に印加されたバイアス電力に引きつけられ、指向性 の高 、金属イオンとしてウェハ Wに入射し、ウェハ W上に堆積する。 [0032] 後述するように、装置制御部 80がバイアス電源 54に大きな出力を出す指令を与え ることにより、プラズマ中の Arイオンも載置台 34に引き込むことが可能となり、ウェハ W上において成膜 (堆積）とスパッタエッチングの両方を同時に生じさせることが可能 となる。装置制御部 80による成膜装置 22の各種の機能要素の制御は、装置制御部 80が、記憶媒体 82に格納された制御プログラムを実行することによって生成した制 御信号ないし指令信号により行われる。この制御プログラムは、成膜装置 22の各種 の機能要素に、金属膜成膜のための処理レシピにより定義される各種処理条件を実 現させることができるよう〖こ、構成されたものである。プログラムを格納するための記憶 媒体は、コンピュータの技術分野にぉ 、て知られて 、る任意の記憶媒体を用いること ができ、例えばフロッピーディスク (登録商標）（FD)、コンパクトディスク (登録商標）（ CD)、フラッシュメモリー、ハードディスクドライブ等を用いることができる。
[0033] 次に、上記のプラズマ成膜装置 22を用いて行われる本発明に基づく成膜方法に ついて説明する。
[0034] 以下に説明する成膜方法の特徴は、ウェハ Wの表面に形成された凹部 4の内部に プラズマスパッタリングにより金属膜を堆積させる成膜工程と、成膜工程により堆積さ せた金属膜を構成する金属原子を表面拡散により凹部 4 (図 10参照）の底部に向け て移動させる拡散工程と、を交互に複数回繰り返すことにある。成膜工程は、プラズ マ（プラズマガスのイオン例えば Arイオン）を発生させ、このプラズマにより金属ター ゲット 70をスパッタして金属粒子 (金属イオン、中性金属原子、中性金属原子団）を 発生させ、この金属粒子特に金属イオンをバイアス電力により凹部 4内に引き込むこ とにより実施され、このときに、バイアス電力を、ウェハ Wの表面において、金属粒子 の引き込みにより生じる金属の堆積の堆積レートがプラズマにより生じるスパッタエツ チングのエッチングレートと概ね均衡するように設定する。また、拡散工程は、金属タ 一ゲットから金属粒子が発生しないような状態で、凹部 4内に堆積させた金属膜の表 面拡散が生じるような所定の温度にウェハ Wを維持することにより実施する。
[0035] なお、本明細書において、成膜工程を説明するにあたって度々用いる「ウェハ Wの 表面（上面）」という用語は、ウェハ Wに既に何らかの付カ卩的な層（図 5では絶縁層 3、 ノリア層 8)が形成されている場合には、「最も上側の層（図 5ではノリア層 8)の凹部 の外の表面（上面）」、すなわち「被処理体 (ウエノ、 Wおよびその上の付カ卩的な層を含 む)の凹部の外の表面 (上面)」、を原則として意味する。し力しながら、このような複 雑な表記を避けるため、「ウェハ Wの表面（上面）」という用語が使用されていることは 理解されるべきである。
[0036] 成膜工程においては、（i)金属粒子の堆積とプラズマによるスパッタエッチングが同 時に生じるようにし、しかも、（ii)凹部 4内、特にその底部に金属膜が堆積するようにし 、その一方でウェハ Wの表面（上面）、すなわち凹部 4の外の部分には金属膜がほと んど堆積しないか、堆積したとしても非常に僅かな量しカゝ堆積しないような状態が実 現されるように、バイアス電力、直流電力、プラズマ電力等 (詳細は後述する）の各種 電力パラメータを適切な値に制御する。具体的には、バイアス電力を、ウェハ Wの表 面において、金属粒子の堆積レートとプラズマ（Ar+イオン）によるスパッタエッチング レートが概ね均衡する（すなわち、膜成長レートは零または非常に小さい)ような値に 設定する。
[0037] なお、以下の説明にお 、て、「堆積レート (deposition rate)」と!、う用語はスパッタエ ツチングがないものと仮定した堆積レートを意味し、「スパッタエッチングレート（sputte r-etch rate)」とは金属粒子の堆積がないものと仮定したエッチングレートを意味する ものとする。また、「膜成長レート (film-growth rate)」と ヽぅ用語は「堆積レート」から「 スパッタエッチングレート（sputter-etch rate)」を減じた値、言 、換えれば見かけ上の 堆積レートを意味するものとする。
[0038] この点について更に詳しく説明する。まず、金属粒子の堆積のことは考慮しないで 、プラズマスパッタエッチングの特性について説明する。図 2のグラフは、スパッタ面 の角度とエッチングレートとの関係を示している。ここで、「スパッタ面」とは、スパッタ エッチングされる面を意味する。また、「スパッタ面の角度」とは、スパッタ面の法線が 、そのスパッタ面へプラズマ (Arイオン）が入射する方向（図 1の例では、上下方向）と 成す角度を意味する。従って、ウェハ表面 (上面すなわち凹部の外の部分)および凹 部 4の底面におけるスパッタ面の角度はともに 0度であり、凹部側面におけるスパッタ 面の角度は 90度である。
[0039] 図 2のグラフから明らかなように、ウェハ表面 (スパッタ面の角度 =0度）ではある程 度のスパッタエッチングが行われ、凹部の側面 (スパッタ面の角度 = 90度）ではほと んどスパッタエッチングが行われず、また凹部の入口の角部すなわち凹部の開口端 近傍 (スパッタ面の角度 =40〜80度）ではかなり激しくスパッタエッチングされること が判る。
[0040] 図 3は、図 1に示すような ICPスパッタ装置 (成膜装置）において、プラズマ電力及び 金属ターゲット 70へ印加される直流電力を一定とした場合における、ウェハ W (載置 台）に印加されるバイアス電力とウェハ表面における膜成長レート（「堆積レート」マイ ナス「スパッタエッチングレート」）との関係を示すグラフである。図 3のグラフは、ター ゲットが銅であり、ウェハサイズが 200mmの場合に成立する関係を示している。縦軸 及び横軸の数値は、ターゲットの材料またはウェハサイズが変わると変化する力 グ ラフに示されるカーブの傾向は概ね同じである。図 3のグラフより明らかなように、バイ ァス電力がそれ程大きくない場合には、金属粒子 (金属イオン及び中性金属原子） の堆積レートがエッチングレートを上回り高い膜成長レートが得られる。しかし、バイァ ス電力が増加するに従って、バイアス電力により加速されたプラズマガス由来のィォ ン (Arイオン）によるスパッタエッチングのエッチングレートの増大が金属粒子の堆積 レートの増大を上回り、膜成長レートが減少してゆく。
[0041] 金属粒子の堆積レートとスパッタエッチングレートが同一になると、堆積とエッチング とが相殺されてウェハ表面 (上面)の見かけ上の堆積レートすなわち「膜成長レート」 が零になる。図 3の点 XI (バイアス電力 = 150W)を参照のこと。なお、図 3のグラフ で実線で示される関係は、プラズマ電力及び直流電力を変化させると、例えば一点 鎖線または二点鎖線で示されるように変化する。
[0042] この種のスパッタ装置において成膜を行う場合、一般的には、図 3の領域 A1に対 応する成膜条件、すなわち、バイアス電力をあまり大きくしないで高い膜成長レートを 稼ぐことができる成膜条件が用いられている。すなわち、スパッタエッチングレートは 無視できる程に小さぐかつ、引き込まれる金属イオン量が最大となるような条件で成 膜を行っており、この場合、凹部の底部においてもかなり高い膜成長レートを達成す ることができる。これに対して、本実施形態に係る成膜工程においては、引き込まれ る金属イオンと中性金属原子の堆積とプラズマスパッタエッチングが同時に生じ、か つ、ウェハ W表面（上面)では殆ど膜が成膜しないが、凹部 4内では少ない量ではあ るが膜の成膜が生じるような成膜条件にて成膜を行うようにしている。
[0043] 更に詳しくは、成膜工程においては、上述のように、ウェハ表面（上面）における金 属粒子の堆積レートとプラズマスパッタエッチングのエッチングレートとが概ね均衡す る、図 3のグラフの領域 A2に対応する成膜条件により成膜を行う。ここで、本明細書 における"概ね均衡"とは、ウェハ表面における膜成長レートが零の場合だけでなぐ 図 3のグラフの領域 A1に対応する成膜条件で成膜を行った場合の膜成長レートの 3 /10程度までの膜成長レートでウェハ上面に成膜がされる場合も含む。この場合、 凹部 4内、特に凹部 4の底部においては、ある程度の量の成膜が生じる。
[0044] ここで、上記の成膜条件下において、ウェハ表面で金属膜がほとんど成長しないに も関わらず、ウェハ表面に形成した凹部 4内に金属膜が堆積する理由を説明する。 すなわち、ウェハ表面（上面）に一度堆積した金属膜がプラズマによりスパッタされる と、飛散する金属粒子は処理容器 24の内壁面及び保護カバー 74の内壁面まで飛 散する。し力しながら、微細な (例えば、幅または直径が lOOnm以下の（図 10参照）） 凹部 4内においては、そこに一度堆積した金属膜がプラズマによりスパッタされると、 飛散する金属粒子は凹部 4の外に出ることができず、凹部 4の内壁面および底部に 再度付着する。その結果、凹部 4内の内壁面、特に凹部 4の底部に金属膜がより堆 積すること〖こなる。
[0045] さて、以上のような現象を理解した上で、図 4乃至図 6も参照して本発明方法につい て説明する。まず、図 1に示す載置台 34を下方へ降下させ、ゲートバルブ 50を開き、 処理容器 24内へウエノ、 Wを搬入し、これを支持ピン 46上に支持させる。次いで、載 置台 34を上昇させると、載置台 34の上面にウェハ Wが載置される。ウェハ Wは静電 チャック 34Bにより載置台 34の上面に吸着される。
[0046] 次に、成膜工程を開始する。ウェハ Wの表面（上面）、ここではウェハ W上に形成さ れた絶縁層 3の表面（上面）には、図 9及び図 10に示す構造の凹部 2, 4が既に形成 されている。上段の凹部 2は、トレンチすなわち細長い溝力もなり、凹部 2の底面に、 ビアホールまたはスルーホールすなわち孔として下段の凹部 4が配線層 6に届くよう に形成されている。すなわち、全体的にみて、相対的に広い上部空間（2)及び相対 的に狭い下部空間（4)を有する段付きの凹部がウェハ Wの表面に形成されている。 なお、図 5では、図面及び説明の簡略ィ匕のため下段の凹部 4のみを示してある。以下 、成膜工程については図 5に示す凹部 4に成膜するものとして説明を進める。
[0047] まず、最初にバリア層が形成される。バリア層の成膜に際しては、図 1に示す構造を 有する成膜装置を用いることができる。ここでは、金属ターゲット 70としてタンタル (Ta )を用いる。処理容器 24内を所定の圧力に真空引きした後に、プラズマ源 62の誘導 コイル 64にプラズマ電力を印加し、バイアス電源 54より所定のバイアス電力を載置 台 34の静電チャック 34Bに印加する。更に、金属ターゲット 70には可変直流電源 72 より所定の直流電力を印加する。まず、 TaN膜を形成するために、ガス導入口 78より プラズマ生成用のガス例えば Arガスと、窒化ガス例えば N ガスを処理容器 24内に
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供給する。これにより、ウェハ Wの上面のみならず、凹部 4内の側面及び底面にも概 ね均一に TaN膜が形成される。 TaN膜は従来方法により成膜することができる。すな わち、バイアス電力は図 3中の領域 A1に対応する範囲、具体的には約 100W (ワット )程度とする。
[0048] TaN膜の形成が完了したならば、次に Ta膜を形成する。窒化ガス (Nガス）の供給
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を停止し、その他のプロセス条件は TaN膜成膜時と同じにして、 TaN膜上に Ta膜を 堆積させる。 Ta膜も従来方法により成膜することができる。すなわち、バイアス電力は 図 3中の領域 A1に対応する範囲とする。以上により、下地膜として、 TaNZTa膜より なるバリヤ層 8が形成される（図 4の S1及び図 5 (A)参照)。尚、バリヤ層 8は Ta膜の み力もなる単層構造であってもよ!/、。
[0049] 次に、ノリャ層 8が形成されたウェハ Wを、ノリャ層 8の形成に用いた成膜装置とは 別の銅 (Cu)膜成膜用の成膜装置 (これも図 1に示す構造を有する）に搬送する。搬 送は、ウェハ W大気に晒さないようにして行われる。バリア層形成用の成膜装置と Cu 膜成膜用の成膜装置とを真空引き可能なトランスファチャンバを介して連結すること が好ましぐそうすれば、ウェハ Wを大気に晒すことなく真空雰囲気中で両成膜装置 間で搬送することができる。
[0050] Cu膜の成膜工程を行うために、金属ターゲット 70として銅が用いられる。処理容器 24内を所定の圧力に真空引きした後に、プラズマ源 62の誘導コイル 64にプラズマ 電力を印加し、バイアス電源 54より所定のバイアス電力を載置台 34の静電チャック 3 4Bに印加する。更に、金属ターゲット 70には可変直流電源 72より所定の直流電力 を印加する。また、ガス導入口 78よりプラズマ生成用のガス例えば Arガスを処理容 器 24内に供給する。
[0051] このとき、前述したように、バイアス電力は図 3のグラフにおける領域 A2に対応する 範囲内に設定し、ウェハ表面 (上面）における金属粒子堆積レートとプラズマスパッタ エッチングレートが概ね均衡するようにする。すると、図 5 (B)に示すように、凹部 4の 内壁面に Cu膜からなる金属膜 90が形成される（図 4の S2)。前述したように、ウェハ W上面に一度堆積した金属膜は、プラズマイオンに叩かれると金属粒子として飛び 出し、ウエノ、 W上面に再付着は殆どしないから、ウェハ上面に堆積する金属膜 90の 厚さ HIはほぼ零力、堆積したとしても非常に僅かである。なお、上段の凹部 2の幅が lOOnmよりもかなり広 、場合には、ウェハ W上面にある程度の量の金属膜が堆積す る場合ちある。
[0052] これに対して、幅または直径が lOOnm以下び狭い凹部 4内に侵入したプラズマィ オンで叩かれて飛散した金属粒子は、凹部 4の内壁面や底部へ再度付着して堆積 する。その結果、凹部 4の側面上の金属膜 90の厚さ H2はある程度のものとなり、底 面上の金属膜 90の厚さ H3は最も大きい。すなわち、膜厚は HKH2く H3となる。
[0053] ここで、成膜時間は、凹部 4側面の金属膜 90の厚さ H2が 5nm以下、好ましくは 1〜 2nmとなるように設定される。もし、凹部 4側面の金属膜 90の厚さが 5nmより大きくな ると、次の拡散工程において、 Cuの凝集が発生し Cu金属膜 90の拡散処理を良好 に行うことができなくなる。そうなると、凹部 4側面において金属膜 90の表層部分のみ に表面拡散が生じて下層部分がそのまま元の場所に留まり、これが繰り返されると、 従来方法により成膜を行った場合と同様なボイド（図 10 (C)を参照）が発生する原因 となる。また、成膜工程においてバイアス電力を過度に大きくすると、下地膜である T aNZTa力らなるノリャ層 8がエッチングされてしまうため、バイアス電力はノリャ層 8 力 S削られないような値にすることが望ましい。具体的には、バイアス電力は、図 3のグ ラフにおいて、ウェハ上面における成膜レートが零になる点 XIに対応する値、約 15 0W力 バリヤ層 8のエッチングが開始される点 X2に対応する値、或いは約 200Wに 設定することが好ましい。この成膜工程においては、冷媒循環路 42に冷媒を流して 載置台 34を冷却することが好ま 、。
[0054] 成膜工程が完了したならば、次に拡散工程を行う（図 4の S3)。この拡散工程は、成 膜工程を行った成膜装置と同じ成膜装置の処理容器 24内で行う。拡散工程におい て、 Cu金属膜 90の表面拡散が生ずる所定の温度までウェハ温度を上昇させてその 温度に維持し、これにより、図 5 (C)に示すように金属膜 90の Cu原子を凹部 4の底部 に向けて移動させる。このとき、可変直流電源 72を OFFにして、金属ターゲット 70か ら金属（Cu)粒子が飛び出さな 、ようにする。
[0055] ただし、高周波電源 66及びバイアス電源 54は共に ONのまま維持し、 Arガスの供 給も継続して行う。従って、処理容器 24内において Arガス由来のプラズマすなわち アルゴンイオン Pは引き続き発生し、このアルゴンイオン Pは、バイアス電力によりゥェ ハ Wに引き込まれてウェハ Wに衝突する。この衝突により生じる熱エネルギにより、ゥ エノ、 Wが加熱される。なお、バイアス電源 54の電力は、堆積した Cu膜が再度エッチ ングされな 、ような小さな値とする。
[0056] このとき、上述したように、ウェハ Wの温度力 Cu原子の表面拡散が生じる温度で あって、かつ、体拡散が生じない温度、すなわち、 200〜400°Cの範囲となるように する。 Cu原子の表面拡散が生ずると、図 6に模式的に示されるように、凹部 4側面上 に堆積していた金属膜 90の金属原子 (Cu原子） 90Aが、大きなマスを有する凹部 4 底部にある金属膜 90に引き込まれ、凹部 4底部における膜厚が H3から H4 (図 5 (C) 参照）へと増加する。この時、凹部 4の外のウェハ Wの上面に堆積していた金属膜 90 の金属原子 (Cu原子） 90Bも凹部 4内へ引き込まれる。従って、成膜工程およびその 後の拡散工程により、凹部 4の底部が優先的に埋め込まれる。
[0057] なお、拡散工程にお!、て、プラズマ（Arイオン）の運動エネルギが高すぎるとウェハ Wが過度に、例えば 400°C以上に加熱されるおそれがあるので、これを防止すること ができるようにバイアス電力を低く設定することが望ましい。また、ウェハ温度が金属 膜 90を構成する Cu原子に体拡散が生じる温度まで上昇すると溶融した Cuが塊りと なるので、これを防止することができるようにノ ィァス電力を低く設定することが望まし い。拡散工程におけるウェハ Wの昇温を補助するために、ガス溝 36へ熱伝導ガスを 供給しな!、でガス溝 36内を真空状態とし、ウェハ Wから載置台 34への熱伝導を阻 害してもよい。あるいは、抵抗加熱ヒータ 44に通電することにより載置台 34を加熱し てもよい。上記のようにして、所定時間例えば数 10秒、拡散工程を行う。なお、先に 説明した成膜工程において、凹部 4側面に堆積させる金属膜の厚さが 5nm以下の 場合は、載置台 34を冷却しなくても凹部 4側面上での金属膜の凝集は起こらないた め、載置台 34を冷却する必要はない。むしろこの場合、載置台 34の温度を高め、成 膜工程中にぉ 、ても表面拡散が生じるようにしてもょ 、。
[0058] 上述の成膜工程 S2及び拡散工程 S3を交互に所定の回数 (サイクル数)実施する（ 図 4の S4の NO)。図 5 (D)に示すように、 2回目の成膜工程において、再度 Cu金属 膜 90が形成され、続いて図 5 (E)に示すように、 2回目の拡散工程において、 2回目 の成膜工程において成膜された金属膜 90を構成する Cu原子が拡散移動して凹部 4 底部に引き込まれている。成膜工程 S2及び拡散工程 S3をそれぞれ所定の回数例 えば数 10回繰り返し実行すると（図 4の S4の YES)、図 5 (F)に示すように、凹部 4内 は Cuによりほぼ完全に埋め込まれた状態になる。この状態になったら、成膜処理を 終了する。
[0059] 以下に、成膜工程 S2および拡散工程 S3における具体的プロセス条件の例を示す [成膜工程 S2]
プロセス圧力： 30〜： LOOmTorr例えば 50mTorr (6. 7Pa)
プラズマ用の高周波電源 66の電力： 4〜5. 3kW例えば 5. 25kW
可変直流電源 72の電力： 0. 5〜2kW例えば 1. 2kW
バイアス電源 54の電力： 120〜170W例えば 150W
プロセス時間：例えば 20秒 (これは堆積させるべき膜厚により変化する）
[拡散工程 S3]
プロセス圧力： 30〜： LOOmTorr例えば 50mTorr (6. 7Pa)
プラズマ用の高周波電源 66の電力： 4〜5. 3kW例えば 5. 25kW
可変直流電源 72の電力： 0
バイアス電源 54の電力： 50W以下例えば 35W プロセス時間：例えば 30秒 (これは堆積させるべき膜厚により変化する）
[成膜工程 S2 +拡散工程 S3のサイクル数]
約 20サイクル (これは凹部サイズにより変化する）
[0060] 本実施形態によれば、上述のようにして成膜工程と拡散工程を繰り返し交互に実施 することにより、微細な凹部 4を底部側力 順に、ボイド等の欠陥を発生させることなく 適正に埋め込むことができる。本実施形態によれば、メツキ処理を用いることなくブラ ズマスパッタだけで微細な凹部 4を銅等の金属により埋め込むことができる。このため 、メツキ処理により埋め込みを実施する場合に生じうる問題、例えばメツキ液の添加剤 による Cuグレインの成長の阻害、を回避することができ、このため、十分に成長した C uグレイン (grain)によって配線膜を形成することができ、配線膜の信頼性を向上させ ることがでさる。
[0061] なお、凹部 4を Cuではなぐ Cu合金で埋め込む場合は、 Cu合金ターゲットを用い ればよい。上記の説明においては、狭い下段の凹部 4のみを埋め込む場合を示した 1S 図 5 (F)に示す工程に引き続いて、上記の成膜工程 S2と拡散工程 S3とを更に交 互に繰り返し行うことによって、上段の凹部 2内の埋め込みを行ってもよい。また、上 段の凹部 2が広い場合、例えば幅または直径が lOOnmよりも大きい場合には、図 5 ( F)に示す工程の終了後に、下段の凹部 4に埋め込まれた金属膜 90を下部電極とし て用いて Cuメツキ処理を行い、上段の凹部 2を埋め込むこともできる。上段の凹部 2 の幅または直径が大きいのであれば、メツキ処理の後にァニール処理を行うことによ り、メツキ液中の添加剤を金属膜中から除去することができる。
[0062] 本発明は上述した実施形態に限定されるものではなぐ本発明の要旨力 逸脱す ることなく様々な改変が可能である。例えば、高周波電源の周波数は 13. 56MHzに 限定されるものではなぐ他の周波数、例えば 27. OMHzとしてもよい。プラズマ生成 用の不活性ガスは Arガスに限定されるものではなぐ他の不活性ガス、例えば Heや Neを用いることができる。 被処理体は、半導体ウェハに限定されるものではなぐ L CD基板、ガラス基板、セラミックス基板等であってもよい。
[0063] [実験]
本発明に基づく成膜方法を用いて、微細な凹部内への銅の埋め込みを行った。そ の結果について以下に説明する。
まず、幅 lOOnmの溝（トレンチ）への銅の埋め込みを行った。その結果を図 7に示 す。図 7において (A)は従来方法 (拡散工程無し）によるもの、（B)は本発明方法によ るもの（埋め込みの途中の状態）をそれぞれ示している。なお、図 7の上段には銅が 埋め込まれたトレンチの断面電子顕微鏡写真、下段にはその写真を説明するための 模式図がそれぞれ示されている。本発明方法のプロセス条件は先に記載した具体的 プロセス条件と同じである。
[0064] 図 7 (A)に示すように、従来方法では、凹部の開口端付近でオーバハングが成長し てブリッジなり、その下方にボイドが発生した。これに対して、図 7 (B)に示すように、 本発明方法の場合は、ボイドが発生することなく凹部内が底部から良好に埋め込ま れつつあることがわかる。
[0065] また、本発明に基づく成膜方法を用いて幅 lOOnmの溝（トレンチ)及び直径 100η mのホールへの銅の埋め込みを行った。その結果を図 8に示す。図 8 (A)はトレンチ への Cuの埋め込み結果、図 8 (B)はホールへの Cuの埋め込み結果をそれぞれ示し ている。図 8 (A) (B)において、上段は電子顕微鏡写真であり、左側は成膜工程およ び拡散工程を 10サイクル行った後の断面写真、中央は成膜工程および拡散工程を 20サイクル行った後の断面写真、右側は成膜工程および拡散工程を 20サイクル行 つた後の斜め方向から撮影した写真である。なお、各写真の下にはその写真を説明 するための模式図が表示されて 、る。
[0066] 図 8 (A)より明らかなように、処理サイクル (成膜工程 +拡散工程）が 10サイクルから 20サイクルへ進むに従って、トレンチ内部力 ボイドが発生することなぐ底部から順 次良好に埋め込まれた。また、図 8 (B)より明らかなように、処理サイクルが 10サイク ルから 20サイクルへ進むに従って、ホール内部が、ボイドが発生することなぐ埋め 込まれた。

Claims

請求の範囲
[1] 成膜方法において、
表面と、この表面に開口する凹部を有する被処理体を、処理容器内に配置された 載置台の上に載置する工程と、
前記処理容器内でプラズマを発生させて、前記処理容器内に配置された金属ター ゲットを前記プラズマによりスパッタして金属粒子を発生させる工程と、前記載置台に バイアス電力を印加して、前記金属粒子を前記凹部内に引き込んで前記凹部内に 堆積させ、これにより前記凹部に金属を埋め込む工程と、を含む成膜工程であって、 前記バイアス電力を、前記被処理体の表面において、前記金属粒子の引き込みによ り生じる金属の堆積の堆積レートが前記プラズマにより生じるスパッタエッチングのェ ツチングレートと概ね均衡するように設定した状態で行われる成膜工程と、
前記金属ターゲットから金属粒子が発生しないような状態で、前記凹部内に堆積さ せた前記金属膜の表面拡散が生じるような所定の温度に前記被処理体を維持し、前 記金属膜を構成する金属原子を前記凹部の底部に向けて移動させる拡散工程と、 前記成膜工程と前記拡散工程とを交互に複数回繰り返す工程と、
を備えたことを特徴とする成膜方法。
[2] 前記バイアス電力は、この成膜方法を実施する前に前記凹部の表面に既に形成さ れている下地膜がエッチングされないような大きさであることを特徴とする、請求項 1 に記載の方法。
[3] 前記所定の温度は、前記金属膜を構成する金属原子に体拡散が生じる温度よりも 低いことを特徴とする、請求項 1に記載の成膜方法。
[4] 前記拡散工程にお!ヽて、前記被処理体は、そこに衝突するプラズマの衝突ェネル ギにより加熱されることを特徴とする、請求項 1に記載の成膜方法。
[5] 前記拡散工程は、前記成膜工程を実施した処理容器内で実行されることを特徴と する、請求項 1に記載の方法。
[6] 前記凹部は、幅が lOOnm以下の溝、または直径が lOOnm以下の孔であることを 特徴とする、請求項 1に記載の成膜方法。
[7] 複数回実行される前記成膜工程の一回あたりに成膜される前記金属膜の厚さは 5n m以下であることを特徴とする、請求項 1に記載の成膜方法。
[8] 前記凹部は、配線用の溝または孔であることを特徴とする、請求項 1に記載の成膜 方法。
[9] 前記金属膜は、銅または銅合金力 なることを特徴とする請求項 1に記載の成膜方 法。
[10] 前記拡散工程における前記所定の温度は 200〜400°Cの範囲内であることを特徴 とする、請求項 9記載の成膜方法。
[11] 前記凹部は、相対的に狭い下部空間と相対的に広い上側空間とを有しており、 前記下部空間が前記成膜工程及び前記拡散工程の繰り返しにより前記金属膜に より埋め込まれた後に、前記上部空間をメツキにより埋め込むメツキ工程を更に備え た
ことを特徴とする、請求項 1に記載の成膜方法。
[12] 前記凹部は、相対的に狭い下部空間と相対的に広い上側空間とを有しており、 前記下部空間及び前記上部空間の両方が、前記成膜工程及び前記拡散工程の 繰り返しにより前記金属膜により埋め込まれる
ことを特徴とする、請求項 1に記載の成膜方法。
[13] 成膜装置であって、
真空引き可能になされた処理容器と、
被処理体を載置するための載置台と、
前記処理容器内へ処理ガスを導入するガス導入手段と、
前記処理容器内へプラズマを発生させるためのプラズマ発生源と、
前記処理容器内設けられた金属ターゲットと、
前記金属ターゲットへ放電用電力を供給するターゲット用の直流電源と、 前記載置台に対してバイアス電力を供給するバイアス電源と、
この成膜装置全体の動作を制御する装置制御部と、
を備え、
前記装置制御部は、この成膜装置を制御して、
前記処理容器内でプラズマを発生させて、前記処理容器内に配置された金属ター ゲットを前記プラズマによりスパッタして金属粒子を発生させる工程と、前記載置台に バイアス電力を印加して、前記金属粒子を前記被処理体の表面に形成された凹部 内に引き込んで前記凹部内に堆積させ、これにより前記凹部に金属を埋め込む成膜 工程であって、前記バイアス電力を、前記被処理体の表面において、前記金属粒子 の引き込みにより生じる金属の堆積の堆積レートが前記プラズマにより生じるスパッタ エッチングのエッチングレートと概ね均衡するように設定した状態で行われる成膜ェ 程と、
前記金属ターゲットから金属粒子が発生しないような状態で、前記凹部内に堆積さ せた前記金属膜の表面拡散が生じるような所定の温度に前記被処理体を維持し、前 記金属膜を構成する金属原子を前記凹部の底部に向けて移動させる拡散工程と、 前記成膜工程と前記拡散工程とを交互に複数回繰り返す工程と、
を実行させるように構成されて ヽることを特徴とする成膜装置。
[14] 前記載置台は、前記被処理体を冷却する冷却手段を有することを特徴とする請求 項 13記載のプラズマ成膜装置。
[15] 前記載置台は、前記被処理体を加熱する加熱手段を有することを特徴とする請求 項 13に記載のプラズマ成膜装置。
[16] 前記載置台の表面には、熱伝導ガスを流すためのガス溝が形成されていることを 特徴とする請求項 13に記載のプラズマ成膜装置。
[17] 成膜装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記成膜 装置が、真空引き可能になされた処理容器と、被処理体を載置するための載置台と 、前記処理容器内へ処理ガスを導入するガス導入手段と、前記処理容器内へプラズ マを発生させるためのプラズマ発生源と、前記処理容器内設けられた金属ターゲット と、前記金属ターゲットへ放電用電力を供給するターゲット用の直流電源と、前記載 置台に対してバイアス電力を供給するバイアス電源と、この成膜装置全体の動作を 制御するコンピュータの形態の装置制御部と、を備えており、
前記装置制御部が前記プログラムを実行することにより、前記成膜装置を制御して 前記処理容器内でプラズマを発生させて、前記処理容器内に配置された金属ター ゲットを前記プラズマによりスパッタして金属粒子を発生させる工程と、前記載置台に バイアス電力を印加して、前記金属粒子を前記被処理体の表面に形成された凹部 内に引き込んで前記凹部内に堆積させ、これにより前記凹部に金属を埋め込む成膜 工程であって、前記バイアス電力を、前記被処理体の表面において、前記金属粒子 の引き込みにより生じる金属の堆積の堆積レートが前記プラズマにより生じるスパッタ エッチングのエッチングレートと概ね均衡するように設定した状態で行われる成膜ェ 程と、
前記金属ターゲットから金属粒子が発生しないような状態で、前記凹部内に堆積さ せた前記金属膜の表面拡散が生じるような所定の温度に前記被処理体を維持し、前 記金属膜を構成する金属原子を前記凹部の底部に向けて移動させる拡散工程と、 前記成膜工程と前記拡散工程とを交互に複数回繰り返す工程と、
を含む成膜方法を実行させることを特徴とする記憶媒体。
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