WO2011002058A1

WO2011002058A1 - 薄膜の成膜方法

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Publication number: WO2011002058A1
Application number: PCT/JP2010/061254
Authority: WO
Inventors: 華子平山
Original assignee: キヤノンアネルバ株式会社
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2010-07-01
Publication date: 2011-01-06
Also published as: JP2012197463A

Abstract

本発明は、基板上への薄膜の成膜速度を上げ、かつトレンチやビアホールの底面に効率よく薄膜を成膜できる薄膜の形成方法を提供する。本発明の一実施形態は、真空排気可能な処理室内において、開口幅又は開口径が３μｍ以下で、かつ、アスペクト比が１以上の段差であるトレンチ又はビアホールを有する基板上に薄膜を成膜する成膜方法である。上記成膜方法は、トレンチ又はビアホールを有する基板を上記処理室内に設けられた第１の電極に配置する工程と、処理室にＮｅを含む処理ガスを導入し、上記第１の電極と該第１の電極と対向して配置された第２の電極の少なくとも一方にプラズマ形成用の高周波電力を供給すると共に、上記第２の電極上にカスプ磁場を生成してプラズマを発生させてターゲットをスパッタし、該スパッタにより生じたターゲット物質を上記トレンチ又はビアホールを有する基板上に成膜する工程とを有する。

Description

薄膜の成膜方法

　本発明は、半導体集積回路デバイス等における薄膜の成膜方法に係り、特に、開口幅又は開口径が３μｍ以下で、かつ、アスペクト比が１以上の段差であるトレンチやビアホールを有する基板上に薄膜を成膜する方法に関する。

　高いイオン集中、より良いターゲット利用効率、高い成膜速度、そして、成膜の厚みが均一性が得られるプラズマ・スパッタ処理装置が提案されている。　
　図１５は、従来のプラズマ・スパッタ処理装置の一例を示す断面図である。図１５記載のプラズマ・スパッタ処理装置は、反応容器１００の内部空間の少なくとも一部を介して平行に互いに向かい合う上部電極１０１と下部電極１２３を備える反応容器１００と、上部電極１０１に固定されたターゲットプレート１０７とを備える。スパッタ工程によって処理される必要のある基板１２７は下部電極１２３の上に搭載されており、ＨＦ領域またはＶＨＦ領域で動作する１つの第１のＲＦ電源１１８とＭＦ領域で動作する他のＲＦ電源１２０とが上部電極１０１に接続されている。図１５のプラズマ・スパッタ処理装置によれば、イオン密度とイオンエネルギの独立した制御とターゲット材料の均一なエッチング速度とを伴って、基板１２７の全表面にわたる平面において均一に分散された大きな面積の高密度プラズマを作り出すことができ、かつ低いアスペクト比を有するプラズマ源を実現することができる（特許文献１参照）。

特開２０００－１５６３７４号公報

　しかし、市場の進化により特許文献１の技術に比べより高成膜効率、高カバレッジ率を求められるようになってきている。

　一方、図１５記載のプラズマ・スパッタ処理装置において、上部電極１０１に印加する電力を上げると、電源から電極までの間の経路にかかる電圧が大きくなるために耐圧性能を上げる必要があり、構造が複雑になる。耐圧性能の高い素材や構造はより高価である場合が多いために原価があがることや、また設計を十分に検討しないと電極にかかる電圧が大きいために異常放電を発生させやすくなるという問題があり、本発明者の知りうる範囲でこの点を解消するものは未だ知られていない。
　また、昨今の省エネブームもあり、印加する電力を維持したまま薄膜の成膜速度を上げることや、ボトムカバレッジ率を上げることは非常に有用である。
　そこで、本発明は、上記の事情に鑑み、開口幅又は開口径が３μｍ以下で、かつ、アスペクト比が１以上の段差であるトレンチやビアホールを有する基板上に薄膜を成膜するに際し適用する。その際、本発明は、カソード電極として機能する上部電極に同じ電力を印加してもトレンチやビアホール底面への薄膜の成膜速度を増加することができる薄膜の成膜方法を提供することを目的としている。

　上記の目的を達成すべく成された本発明の一態様に係る構成は以下の通りである。

　本発明の一態様は、真空排気可能な処理室内において、開口幅又は開口径が３μｍ以下で、かつ、アスペクト比が１以上の段差であるトレンチ又はビアホールを有する基板上に薄膜を成膜する成膜方法であって、前記処理室は、基板を支持するための第１の電極と、前記基板に対向するように配置されターゲットを支持する第２の電極と、前記第２の電極の前記第１の電極との対向面と反対側に配置されて当該第２の電極の前記第１の電極との対向面側にカスプ磁界を形成する複数のマグネットと、を備え、前記成膜方法は、前記トレンチ又はビアホールを有する基板を前記第１の電極に配置する工程と、前記処理室にＮｅを含む処理ガスを導入し、前記第１の電極と前記第２の電極の少なくとも一方にプラズマ形成用の高周波電力を供給すると共に、前記第２の電極上に前記カスプ磁場を生成してプラズマを発生させて前記ターゲットをスパッタし、該スパッタにより生じたターゲット物質を前記トレンチ又はビアホールを有する基板上に成膜する工程とを有することを特徴とする。

　本発明に係る薄膜の成膜方法は、開口幅又は開口径が３μｍ以下で、かつ、アスペクト比が１以上の段差であるトレンチやビアホールを有する基板上に薄膜を成膜するに際して適用される。ＡｒよりＮｅの方が軽い為に、ターゲットからスパッタされた金属粒子がＮｅと衝突しても金属粒子の進行方向を大きく変えられることが少なく基板に付着する確率が高くなる。そのため、Ｎｅガスを添加することでカソード電極として機能する第２の電極に同じ電力を印加しても基板上への薄膜の成膜速度を増加することができる。その結果、1枚の基板にかかる処理時間を短くすることができるので、装置の処理能力を向上することができる。

　また、ＡｒよりＮｅの方が軽い為に、ターゲットからスパッタされた金属粒子がＮｅと衝突してよりイオン化される。そのため、開口幅又は開口径が３μｍ以下で、かつ、アスペクト比が１以上の段差であるトレンチやビアホールを有する基板上に薄膜を成膜するに際には、Ｎｅガスを添加することでカソード電極として機能する上部電極に同じ電力を印加してもトレンチやビアホール底面への薄膜の成膜速度を増加することができる。その結果、1枚の基板にかかる処理時間を短くすることができるので、装置の処理能力を向上することができる。

本発明の一実施形態に係る薄膜の成膜方法を実施するプラズマ処理装置を例示する模式図である。本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の上壁（外側）における構造とその内側の構造を示す概略図である。本発明の一実施形態に係る基板の断面形状を示す概略図である。本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置のマグネットの磁場を示すトッププレートの部分断面図である。本発明の一実施形態に係るマグネットの配列（Ｉ）を示すトッププレートの１／４領域の平面図である。本発明の一実施形態に係るマグネットの配列（ＩＩ）を示すトッププレートの１／４領域の平面図である。本発明の一実施形態に係るマグネットとトッププレートとを有する磁石機構により発生するカスプ磁場を示す概念図である。本発明の一実施形態に係る薄膜の成膜方法における成膜状況を示す概略説明図である。本発明の一実施形態に係るマグネットを配置した場合の磁界と電界の状態を示す配置図である。本発明の一実施形態に係るチタン（Ｔｉ）の成膜速度のＮｅ添加率依存性を示す図である。本発明の一実施形態に係る銅（Ｃｕ）の成膜速度のカソード電極の電力依存性を示す図である。本発明の一実施形態に係るチタン（Ｔｉ）の成膜速度のＮ_２添加率依存性を示す図である。本発明の一実施形態に係る銅（Ｃｕ）のボトムカバレッジ率のアノード電力依存性を示す図である。本発明の一実施形態に係るチタン（Ｔｉ）のボトムカバレッジ率のアスペクト比依存性を示す図である。従来のプラズマ・スパッタ処理装置を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る反応性スパッタリング装置の概略構成図である。

　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

　まず、図１から図３を参照して、本発明の一実施形態に係る薄膜の成膜方法を実施するプラズマ処理装置の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る薄膜の成膜方法を実施するプラズマ処理装置を例示する模式図である。図２は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の上壁（外側）における構造とその内側の構造を示す概略図である。図３は、本発明の一実施形態に係る基板の断面形状を示す概略図である。

　図１及び図２に示すように、本実施形態では、基板１７上に薄膜を成膜するプラズマ処理装置として、例えば、マグネトロンスパッタリング装置を例示している。本実施形態のスパッタリング処理装置は、処理室として真空排気可能な反応容器１０を備え、反応容器１０内に基板１７を支持するアノード電極１５（第１の電極１５）と、基板１７に対向するように配され、不図示のターゲットを支持するカソード電極１１（第２の電極１１）と、を備えている。このスパッタリング処理は、反応容器１０内の処理室に処理ガスを導入し、カソード電極１１及びアノード電極１５に高周波電源１９、高周波電源８から互いに異なる電力を印可すると共に、カソード電極１１にカスプ磁場を形成する。これにより、スパッタリング装置は、処理室にプラズマを発生させ、基板１７上にターゲット物質の薄膜を成膜する。

　反応容器１０の排気ポート１８には、不図示のコンダクタンスバルブ等を介して排気ポンプ等の排気装置が接続されている。また、反応容器１０には、処理ガス（プロセスガス）の導入手段として、流量制御器やバルブなどを備えたガス導入系２５が接続され、このガス導入系２５から処理ガスが所定の流量で導入される（図４参照）。

　本実施形態の処理ガスとしては、Ｎｅ含む混合ガスを用いることができる。反応性スパッタリングを行う場合には、Ｎｅ含む混合ガスと酸素及び窒素を含む反応性ガスとの混合ガスを用いることができる。反応性ガスは、酸素及び窒素からなるガス群より選択された少なくとも１種から選択して用いられる。

　この反応容器１０は、トッププレート１１（カソード電極１１）と円筒型側壁１２とボトムプレート１３を有している。円筒型側壁１２の下側部分１２ｂとボトムプレート１３は、例えば、ステンレス鋼またはアルミニウム（Ａｌ）等の金属によって形成されている。円筒型側壁１２の上側部分１２ａは、セラミック（誘電体物質）によって形成されている。トッププレート１１は平板円形形状を呈し、例えば、Ａｌ等の非磁性金属によって形成されている。

　トッププレート１１は、円筒型側壁１２の上側部分１２ａの上に搭載されているので、反応容器１０の他の部分から電気的に絶縁されている。トッププレート１１は、プラズマを生成するときにカソード電極として機能する。カソード電極１１は、整合回路２０を介して可変電圧を印可可能な高周波電源１９に接続されている。カソード電極１１には、高周波電源１９から必要な高周波電力が給電される。カソード電極１１の上（背面）には、複数のマグネット６で構成された磁石機構が配置されている。この磁石機構を設けることによって、プラズマを高密度で形成することができる。この磁石機構は、典型的には、極性の異なる磁石を四角形の頂点毎に配置した構造の回路であり、カスプ磁場（Ｃｕｓｐ　Ｆｉｅｌｄ）を生成する。磁石機構の詳細については、後述する。

　カソード電極１１の前面（下面）に支持されるターゲットの材料としては、例えばタンタル（Ｔａ）、銅（Ｃｕ）やチタン（Ｔｉ）等の導電性を有する単一組成のものを用いることができ、ＧｅＳｂＴｅやＮｉＦｅの様な２以上の組成からなる複合組成のものも用いることができる。ターゲット材料のうち、ＴａやＣｕは非磁性材料であり、一方、ＮｉＦｅは磁性材料である。

　なお、円筒型側壁１２の上側部分１２ａと下側部分１２ｂの直径は同じである。当該直径の値は重要な問題ではなく、４０ｃｍから６０ｃｍの間で変わり得る。円筒型側壁１２の上側部分１２ａの高さは同様にまた重要ではなく、１ｃｍから５ｃｍの範囲に存在する。円筒型側壁１２の下側部分１２ｂとボトムプレート１３は接地線１４を介して電気的に接地されている。トッププレート１１の直径は、円筒型側壁１２の直径に相当する。

　反応容器１０の内部空間には、ボトムプレート１３上に取り付けられたアノード電極１５として機能する基板ホルダ１５が配されている。この基板ホルダ１５は、例えば整合回路９を介して可変電圧を印可可能な高周波電源８に接続されている。この高周波電源８は反応容器１０の外側に配置されている。

　反応容器１０内での処理対象となる基板１７は、静電吸着保持装置等の不図示の基板保持機構により基板ホルダ１５上に保持される。基板ホルダ１５は、ボトムプレート１３に平行に配置され、絶縁体１６によって反応容器１０から電気的に絶縁されている。基板ホルダ１５は、例えば、円板状の保持テーブルであって、静電吸着用電極等の不図示の保持機構を備えている。基板ホルダ１５は、その上面（表面）に基板１７を載置し、保持機構により基板１７はその処理面を上方へ臨ませて保持される。

　なお、基板ホルダ１５は、モータ等の不図示の回転機構により、基板１７の面内方向に回転可能に形成してもよい。また、基板ホルダ１５には、ヒータ等の不図示の加熱機構を内蔵していることが好ましい。本実施形態の基板温度は、例えば、マイナス９０℃からプラス９００℃の温度範囲で設定することができる。

　基板１７としては、例えば、半導体ウエハが挙げられ、基板のみの状態もしくはトレイに搭載された状態で、基板ホルダ１５に保持される。基板１７は、図３に示すように、開口幅又は開口径が３μｍ以下で、かつ、アスペクト比（深さ／開口幅又は開口径）が１以上の凹状段差であるトレンチ３１やビアホール３２を有している。以下、トレンチ３１やビアホール３２を単に段差と呼ぶこともある。トレンチ３１やビアホール３２は、底部３３及び内側壁３４を有している。基板１７としては、シリコンウエハなどの単結晶半導体基板、多結晶シリコン膜、微結晶シリコン膜やアモルファスシリコン膜などの非単結晶シリコン膜を持ったガラス基板、ＧａＡｓなどの化合物半導体基板を用いることができる。また、基板１７は、各種素子、例えば、トランジスタ、コンデンサー、光電変換素子が設けられたものであってもよい。

　次に、図４から図７を参照して、トッププレート１１上に配置した磁石機構について詳細に説明する。図４は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置のマグネットの磁場を示すトッププレートの部分断面図である。図５は、本発明の一実施形態に係るマグネットの配列（Ｉ）を示すトッププレートの１／４領域の平面図である。図６は、本発明の一実施形態に係るマグネットの配列（ＩＩ）を示すトッププレートの１／４領域の平面図である。図７は、図５に示すマグネットとトッププレートとを有する磁石機構により発生するカスプ磁場を示す概念図である。

　図４から図７に示すように、複数のマグネット２１がトッププレート１１の上に配置され、さらにトッププレート１１の外側表面に固定されている。マグネット２１は対称的な位置関係で配置されるので、図５及び図６では、トッププレート１１の１／４の領域だけが平面図の状態で示される。

　マグネット２１は、トッププレート１１の内側にカスプ磁場２３を生成するように、トッププレート１１の外側表面の上に配置される。この場合、厳密に述べると、カスプ磁場２３は、４つのマグネット２１で決められるポイント・カスプ（ｐｏｉｎｔ－ｃｕｓｐ）磁界と呼ばれる。ここで、本明細書において、「ポイント・カスプ磁場」とは、図７に示すように隣接する４つのマグネット６により閉じたカスプ磁場を形成することをいう。　
　図９は、図５、図６に示す隣接する４つのマグネットにより閉じた磁場を形成した場合、磁界と電界、電界と磁界で作る垂直な面にサイクロン回転し、運動する方向を示している。

　ポイント・カスプ磁場を形成するためのただ１つの要求は、各々隣り合うマグネットがトッププレート１１に向かう極で反対の極性を持たなければならないということである。このことは反応容器１０の内側に向かうマグネットの極性が交互に変化するということを意味する。例えば、図５に示すように、トッププレート１１の上で点線によって描かれた四角形２２の各々の角部分（コーナー）に配置される。図５及び図６においてＮとＳはマグネット２１の磁気的極性を意味する。いかなる２つの隣り合うマグネットの間隔（距離）は重要なことではなく、マグネットの強さとトッププレート１１の直径に依存して２ｃｍから１０ｃｍの範囲で変えることができる。

　図４に示すように、マグネット２１の配列は、トッププレート１１の下側で、ポイント・カスプ磁場２３を、２つの隣り合う当該磁場２３の間に作られるカスプ２３ａと共に、作る。符号２３ｂは磁束線を示している。磁極から出た磁束線２３ｂは直接に最も近い反対の磁極に向かって曲がる。こうして、ポイント・カスプ磁場２３が形成される。トッププレート１１の内側表面の近くの空間において生成されたポイント・カスプ磁場２３は、ループを作るように閉じられた磁束線２３ｂを形成する。トッププレート１１の内側表面の近傍において、多くの磁束ループが形成され、その結果として磁界のカスプ２３ａが形成される。トッププレート１１上のマグネット２１によって形成された配列構造に依存してトッププレート１１の下側のプラズマの均一性が変化する。

　マグネット２１の形状は、好ましくは、断面の形状がそれぞれ四角と円である立方体または円柱体である。マグネット２１の各々はトッププレート１１の外側表面上に形成された穴１１ａの中に配置される。例えば、トッププレート１１の厚みはおよそ２０ｍｍであり、穴１１ａの深さはおよそ１７ｍｍである。したがって、マグネット２１の底の面は反応容器１０の内部空間に接近している。

　マグネット２１の断面形状は円形または四角形である。もしマグネット２１の断面形状が円形であるならば、その直径は１０ｍｍから４０ｍｍの範囲の中に含まれる。直径の値は重要ではない。もしマグネット２１の断面形状が四角であるならば、円形断面形状を有するマグネットのそれらに相当する寸法が選択される。マグネット２１の高さは同様にまた重要ではなく、３ｍｍから１０ｍｍの範囲内にある。マグネット２１の磁気的強さはトッププレート１１の下側におよそ５０ガウス（Ｇａｕｓｓ）から５００ガウスの磁界の強さを持つように選択される。

　加えて図４に示すように、円形ガス通路２４がトッププレート１１の内部に形成される。円形ガス通路２４はガス導入系２５を通してガス供給源（図示されず）に結合されており、トッププレート１１の内側表面に複数のガス導入孔２６を有している。ガス供給源によって供給される処理ガス（プロセスガス）は円形ガス通路２４とガス導入孔２６を通して反応容器１０の内部空間に導入される。処理ガスは第１に円形ガス通路２４に供給され、それからいくつかのガス導入孔２６を通して反応容器１０の処理室に導入される。

　反応容器１０の内部圧力は、ガスの流速を調整すること、およびガス排気ポート１８に配置された良く知られた可変オリフィス（図示されず）を調整することによって制御される。反応容器１０の内部圧力（処理室の圧力）は、例えば、０．２Ｐａから２７Ｐａの範囲で変化される。本実施形態では、後述する本発明の一実施形態に係る薄膜の成膜方法において、第２工程の処理室の圧力が第１工程の処理室の圧力よりも低く設定される。なお、処理室の具体的な設定圧力については、本発明に係る薄膜の成膜方法の説明において詳述する。

　本実施形態では、カソード電極１１に給電する高周波電源１９の周波数は、およそ１０ＭＨｚから３００ＭＨｚの範囲にある。一方、アノード電極１５に給電する高周波電源８の周波数は、およそ１ＭＨｚから１５ＭＨｚの範囲にある。

　さらに、本実施形態では、後述する本発明の一実施形態に係る薄膜の成膜方法において、第２工程のカソード電力に対するアノード電力の比が、第１工程のカソード電力に対するアノード電力の比よりも大きくなるように設定される。なお、具体的な電力比の設定については、本発明の一実施形態に係る薄膜の成膜方法において詳述する。なお、アノード電極１５は接地した状態で使用しても構わない。

　次に、前述のプラズマ源を備えた反応容器１０におけるプラズマ発生の機構を説明する。図４において、高周波電流１９ａが高周波電源１９からカソード電極１１に給電されるとき、高周波電力の静電的結合の機構によってプラズマが生成される。その時、プラズマにおける電子はカソード電極１１上に配置されるマグネット２１によって作られたポイント・カスプ磁場２３の存在に基づきサイクロトロン回転を受ける。このことは電子の通過路の長さを増大させ、それによってプロセスガスのより高いイオン化割合をもたらす。加えて、電子とイオンのカソード電極１１との衝突がポイント・カスプ磁場２３によって部分的に抑圧される。それ故に、磁場２３の存在はプラズマ密度の増大という結果をもたらす。

　一般的に磁界が存在しない場合、２つの平行プレートの間に静電的結合の機構によって生成されたプラズマは、より高い半径方向の均一性を持つ。磁界が存在する場合においては、このプラズマ均一性は変化する。カソード電極１１上に配置されたマグネット２１はカソード電極１１の下側にポイント・カスプ磁場２３を形成する。カソード電極１１に平行に存在する磁場２３の強さが最大である場所においてプラズマ密度は最大である。同様にトッププレートに平行に存在する磁場２３の強さが最小であるところの場所ではプラズマ密度は低い。それ故に、カソード電極１１の近傍においてプラズマ密度は最大と最小となる。しかしながら、プラズマ密度のこれらの最大と最小は互いに接近しているので、下流側におけるカソード電極１１からより短い距離において拡散がプラズマの均一性を作る。さらに、マグネット２１は交互に反対の極性となるように配置されているので、ポイント・カスプ磁場２３の磁束線２３ｂはカソード電極１１の内側表面から近い距離で曲がる。それ故に、カソード電極１１からより近い距離において磁界がない環境が得られる。

　均一なプラズマ密度を得る目的で、前述された構成とは異なる他のマグネット２１の配列を見出だすこともできる。例えば、カソード電極１１の中心部付近の２つの隣り合うマグネットの間の間隔を周辺部付近の隣り合う２つのマグネットの間隔よりも大きくすることができるし、あるいは、中央部におけるマグネットを取り除くこともできる。ここで、マグネット２１はカソード電極１１の周縁部分に接近した所のみに帯状に（バンドとして）配置されている。半径ｒ１はカソード電極（トッププレート）１１の半径であり、半径ｒ２はマグネットが配置されていない円形領域の半径である。これらの配列によって、トッププレート１１の中心部付近のマグネット２１の個数は周縁部に近い部分の個数よりも少なくなる。すなわち、トッププレート１１の中心部およびその周縁の磁束密度は、その周縁部に近い部分の磁束密度よりも低くなる。

　次に、再び図１から図３及び図８を参照して、上記のプラズマ処理装置の作用と共に、本発明の一実施形態に係る薄膜の成膜方法について説明する。図８は、本発明の一実施形態に係る薄膜の成膜方法における成膜状況を示す概略説明図である。なお、カソード電極１１に支持するターゲットとしてチタニウム（Ｔｉ）又は銅（Ｃｕ）を用い、反応容器１０内に処理ガスとして、Ａｒ（アルゴン）とＮｅ（ネオン）との混合ガスを導入する。

　本発明の一実施形態に係る薄膜の成膜方法の特徴点は、処理ガスとして、Ａｒ（アルゴン）とＮｅ（ネオン）との混合ガスを用いた点である。まず、処理ガスとして、Ａｒ（アルゴン）とＮｅ（ネオン）との混合ガスを用いた理由を説明する。

　図１０は、本発明の一実施形態に係るチタン（Ｔｉ）の成膜速度のＮｅ添加率依存性を示す図である。カソード電極１１に支持するターゲットとしてチタン（Ｔｉ）を用い、開口幅又は開口径が３μｍ以下で、かつ、アスペクト比が１以上の段差であるトレンチやビアホールを有する基板上に、処理ガスがＡｒのみの場合とＡｒにＮｅを添加した場合の薄膜の成膜速度を比較した。この図から、Ｎｅガスの添加が増えると薄膜の成膜速度が増えていることがわかる。この時、いずれも処理室の圧力は１４Ｐａ、カソード電極に印加した電力は３２００Ｗである。なお、軽い希ガスのヘリウムを添加すると、軽すぎる為にスパッタ率が小さくなり、成膜速度は遅くなる。またクリプトンやキセノンのように重い希ガスを添加した場合は、金属粒子と衝突した時の散乱が大きくなり、成膜速度が遅くなる。このように、本発明の一実施形態では、Ａｒに混合させるガスとしてのＮｅは、その重量が成膜速度向上の観点から最適なものであり、処理ガスとしてＡｒとＮｅとの混合ガスを用いることにより、成膜速度を速くすることができる。

　また、図１０から分かるように、Ｎｅ添加量を増加させるに従って、処理ガスがＡｒのみの場合（Ｎｅ添加量０％の場合）に比べて成膜速度を速くすることができ、処理ガスの添加量が１００％の場合（すなわち、処理ガスがＮｅの場合）に、成膜速度を最大にすることができる。このように、本発明の一実施形態では、処理ガスに少なくともＮｅを添加することによって、成膜速度を速くすることができる。

　図１１は、本発明の一実施形態に係る銅（Ｃｕ）の成膜速度のカソード電極のＤＣ電力依存性を示す図である。カソード電極１１に支持するターゲットとして銅（Ｃｕ）を用い、開口幅又は開口径が３μｍ以下で、かつ、アスペクト比が１以上の段差であるトレンチやビアホールを有する基板上に、処理ガスがＡｒのみの場合とＮｅのみの場合の薄膜の成膜速度を比較した。この図から、Ｎｅガスを用いると薄膜の成膜速度が増えることがわかる。この時、いずれも処理室の圧力は８Ｐａ、カソード電極に印加したＲＦ電力は４０００Ｗである。なお、本発明の一実施形態の成膜方法では、カソード電圧にかかる電圧は２００Ｖ以下であり、すなわちイオンエネルギーも２００ｅＶ以下になる。２００ｅＶ以下の範囲では希ガスの種類によるスパッタ率の差は見られないので、この範囲ではスパッタ率と成膜速度は無関係である。

　図１２は、本発明の一実施形態に係るチタン（Ｔｉ）の成膜速度のＮ_２添加率依存性を示す図である。カソード電極１１に支持するターゲットとしてチタン（Ｔｉ）を用い、開口幅又は開口径が３μｍ以下で、かつ、アスペクト比が１以上の段差であるトレンチやビアホールを有する基板上に、処理ガスがＡｒとＮ_２の場合とＮｅとＮ_２の場合の薄膜の成膜速度を比較した。この図から、Ｎｅガスを用いると薄膜の成膜速度が増えることがわかる。この時、いずれも処理室の圧力は７Ｐａ、カソード電極に印加した電力は５０００Ｗである。尚、本発明の一実施形態の成膜方法では、カソード電圧にかかる電圧は２００Ｖ以下であり、すなわちイオンエネルギーも２００ｅＶ以下になる。２００ｅＶ以下の範囲では希ガスの種類によるスパッタ率の差は見られないので、この範囲ではスパッタ率と成膜速度は無関係である。

　図１３は、本発明の一実施形態に係る銅（Ｃｕ）のボトムカバレッジ率のアノード電力依存性を示す図である。カソード電極１１に支持するターゲットとして銅（Ｃｕ）を用い、開口幅又は開口径が３μｍ以下で、かつ、アスペクト比が１以上の段差であるトレンチやビアホールを有する基板上に、処理ガスがＡｒのみの場合とＮｅのみの場合のトレンチやビアホールのボトムカバレッジ率を比較した。この図から、Ｎｅガスを用いるとトレンチやビアホールのボトムカバレッジ率が増えることがわかる。この時、いずれも処理室の圧力は８Ｐａ、カソード電極に印加した電力は４０００Ｗである。尚、本発明の一実施形態の成膜方法では、カソード電圧にかかる電圧は２００Ｖ以下であり、すなわちイオンエネルギーも２００ｅＶ以下になる。２００ｅＶ以下の範囲では希ガスの種類によるスパッタ率の差は見られないので、この範囲ではスパッタ率と成膜速度は無関係である。

　図１４は、本発明の一実施形態に係るチタン（Ｔｉ）のボトムカバレッジ率のアスペクト比依存性を示す図である。カソード電極１１に支持するターゲットとしてチタン（Ｔｉ）を用い、開口幅又は開口径が３μｍ以下で、かつ、アスペクト比が１以上の段差であるトレンチやビアホールを有する基板上に、処理ガスがＡｒのみの場合とＡｒにＮｅを添加した場合のトレンチやビアホールのボトムカバレッジ率を比較した。この図から、Ｎｅガスを用いるとトレンチやビアホールのボトムカバレッジ率が増えることがわかる。この時、いずれも処理室の圧力は１４Ｐａ、カソード電極に印加した電力は３２００Ｗである。

　上記の通り、図１０から図１４により、カソード電極１１に支持するターゲットとしてチタニウム（Ｔｉ）又は銅（Ｃｕ）を用い、反応容器１０内に処理ガスとして、Ａｒ（アルゴン）とＮｅ（ネオン）との混合ガスを導入した場合、該混合ガス以外のガスを処理ガスとして用いた場合で印加する電力と同じ電力を印加してもトレンチやビアホール底面への薄膜の成膜速度が増加することを見いだした。

　処理ガスとして、Ａｒ（アルゴン）とＮｅ（ネオン）との混合ガスを導入した理由を更に、説明する。本発明において、ＡｒにＮｅを混合させることによって成膜速度が向上する理由の一つは、Ｎｅは、Ａｒよりも重量が軽い為に、ターゲットからスパッタされた金属粒子がＮｅと衝突してよりイオン化されたためと考えられる。特に本発明においては、第２の電極であるカソード電極の内側にポイントカスプ磁界を形成する複数のマグネットが配置されている。このため、もともと高密度プラズマが発生する機構を有しているが、処理ガスとして、Ａｒ（アルゴン）とＮｅ（ネオン）との混合ガスを処理室内に導入することにより、ＮｅはＡｒより重量が軽い為に、ターゲットからスパッタされた金属粒子がＮｅと衝突してよりイオン化されたためと考えられる。

　次に、本発明の一実施形態の薄膜の成膜方法について説明する。本発明の一実施形態に係る薄膜の成膜方法は、まず、反応容器１０内を排気系により所定の真空度まで排気する。基板ホルダ１５に内蔵された不図示のヒータに電力供給し、基板ホルダ１５を設定温度に加熱する。

　次に、反応容器１０の側壁に配設された不図示のゲートバルブを開け、基板搬送経路を開放する。この状態で、ロボットアーム等の不図示の搬送アームを用いて、基板１７を基板ホルダ１５の上面へと搬送する。そして、不図示の保持機構により基板ホルダ１５に基板１７を保持する。上記搬送アームを後退させた後、ゲートバルブを閉じる。

　基板１７の表面温度が所定の温度（例えば、９００℃）に到達するまで加熱した後、ガス導入系２５より所定の流量の処理ガスを導入する。また、不図示の排気系のコンダクタンスバルブ等により反応容器１の内部を任意の圧力に調整する。

　この処理ガスの導入下において、上記第２の電極としてのカソード電極１１、第１の電極としての基板ホルダ１５に高周波電源１９、高周波電源８から異なる電力を印可すると共に、カソード電極１１（第２の電極１１）にカスプ磁場を生成してプラズマを発生させる。このプラズマ発生により、開口幅又は開口径３μｍ以下で、かつ、アスペクト比が１以上の段差であるトレンチ３１又はビアホール３２を有する基板１７の上にターゲット物質の薄膜を成膜する。

　このように、本発明の一実施形態に係る薄膜の成膜方法を、開口幅又は開口径が３μｍ以下で、かつ、アスペクト比が１以上の段差であるトレンチ３１やビアホール３２を有する基板１７上に薄膜を成膜するに際して適用することができる。

　上記の電力比の条件下において、カソード電極１１（第２の電極１１）に給電する高周波電源１９の電力は３００Ｗから１００００Ｗの範囲で選択して設定し、アノード電極１５（第１の電極１５）に給電する高周波電源８の電力は０Ｗから２０００Ｗの範囲で選択して設定する。具体的には、基板１７の径（サイズ）が１２インチの場合、カソード電力を３００Ｗから１００００Ｗの範囲で設定し、アノード電力を０Ｗから２０００Ｗで設定することが望ましい。

　なお、アノード電力の下限（０Ｗ）から分かるように、アノード電極１５（第１の電極）は接地した状態で使用しても構わない。

　所定の膜厚を堆積後、高周波電源８、高周波電源１９からの電力供給を停止する。さらに、ガス導入系２５からの処理ガスの導入を停止し、排気系のコンダクタンスバルブ等を開放して反応容器１０の内部を排気する。

　次に、ゲートバルブを開けて基板搬送経路を開放し、搬送アームを挿入して基板１７を保持し、搬送アームを後退させて反応容器１０から基板１７を搬出する。最後に、ゲートバルブを閉じて、全工程を終了する。なお、そのまま、リフロー工程等の次工程に移行してもよい。

　このように本発明の一実施形態に係る薄膜の成膜方法では、ターゲットから飛来するターゲット粒子で基板１７上に成膜をしつつ、基板１７を載置したアノード電極１５にバイアスを印加する。これにより、アノード電極１５とカソード電極１１との間で発生したプアズマ中の希ガス（アルゴンとネオンの混合ガス）イオンをアノード電極１５に引き込み、基板１７をターゲットとして再スパッタ（エッチング）する。したがって、ＥＣＲプラズマＣＶＤで発生する程の膜質の変化はない。

　本発明の一実施形態では、処理ガスとしてアルゴンとネオンの混合ガスを用いているため、膜質を維持することが可能である。さらに、カソード電極１１の高周波電源１９の周波数を１０ＭＨｚ～３００ＭＨｚの範囲としている。そのため、第１工程では高イオン化率下で成膜しうるので、トレンチ３１又はビアホール３２（段差）の底部３３に多くの膜を付け、かつ内側壁３４には殆ど膜が付かない。

　以上説明したように、本発明によれば、開口幅または開口径が３μｍ以下で、アスペクト比１以上、特に１．５以上の高アスペクト比のトレンチ３１又はビアホール３２の底部３３と内側壁３４の双方に、十分な膜厚でバリヤー膜を成膜できる。その結果、次工程のＡｌリフローを実施したときに、トレンチ３１又はビアホール３２内にボイドを生じることなく、あるいは該ボイドの生成を低減して、極めて平坦なＡｌ膜を成膜できる。したがって、ＣＭＰ（Ｃｈｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理のような平坦化処理を省略することができる。

　次に、本実施形態を反応性スパッタリング装置に適用した場合について説明する。　
　一例としてＰＶＤ処理チャンバ２１０の概略構成図が図１６に示される。

　最初に、ＰＶＤ処理チャンバ２１０の構造が説明される。この処理チャンバ２１０は、ウェハーホルダ２１１、いわゆるカソードと呼ばれる、平板形状を有するターゲット２１２、側壁２１３、トッププレート２１４、ボトムプレート２１５、排気ポート２１６、およびガス導入部２１７を備えている。ターゲット２１２の代表的材料は好ましくはハフニウム（Ｈｆ）であるが、これに限定されない。ターゲット２１２は、絶縁支持プレート２１８を介して、傾斜姿勢で、処理チャンバ２１０の壁またはプレート（２１３，２１４）に固定されている。ターゲット２１２は、絶縁支持プレート２１８によって処理チャンバ２１０のその他の部分から電気的に絶縁されている。

　ターゲット２１２の上側または横側では、回転可能な支持プレート２２０に固定されたマグネット配列２１９が存在する。支持プレート２２０は、図示されていない駆動機構を有している。参照番号２２０ａは回転軸を示している。装置が作動している間、マグネット配列２１９は、駆動機構の中に含まれる電気モータによって回転させられる。マグネット配列２１９のための電気モータおよび回転機構は図１６に示されていない。

　前述したターゲット２１２は、ＤＣ電源２２１からプラズマを生成するためのＤＣ電力が供給される。ＤＣ電力を用いることは本質的なことではない。ＤＣ電力の代わりにＲＦ（交流）電力をプラズマを発生させるために用いることもできる。

　ターゲット２１２はウェハーホルダ２１１の上に配置されたウェハーまたは基板２２２に対して好ましい所定の角度をもって配置されている。再び、ウェハーホルダ２１１の軸２１１ａとターゲット２１２の軸２１２ａは平行ではなく、所定の角度（α）にて交差するようになっている。２つの軸２１１ａと軸２１２ａは同じ平面内に存在する。これらの２つの軸２１１ａと軸２１２ａの間の角度（α）は９０°よりも小さく、代表的にはおよそ４５°である。

　ウェハーホルダ２１１は、ウェハー２２２上での膜堆積の間、およそ６０ｒｐｍ等の回転速度で回転させられている。回転速度は重要なことではなく、広い範囲、例えば１０～５００ｒｐｍの範囲で変化させることができる。ウェハーホルダの回転機構は図において示されていない。

　図１６に示す装置を用いて成膜を行う場合には、本発明の一実施形態に係るＮｅを含む処理ガスが、ガス導入部１７を経由して処理チャンバ１０の中に導入される。処理チャンバ１０の内部圧力は好ましくは０．５Ｐａよりも低く維持されている。ターゲット１２にＤＣ電力を与えることによってスパッタリングが実行される。

　本発明は、例示したマグネトロンスパッタリング装置のみならず、ドライエッチング装置、プラズマアッシャ装置、ＣＶＤ装置および液晶ディスプレイ製造装置等のプラズマ処理装置に応用して適用可能である。

Claims

　真空排気可能な処理室内において、開口幅又は開口径が３μｍ以下で、かつ、アスペクト比が１以上の段差であるトレンチ又はビアホールを有する基板上に薄膜を成膜する成膜方法であって、
　前記処理室は、基板を支持するための第１の電極と、前記基板に対向するように配置されターゲットを支持する第２の電極と、前記第２の電極の前記第１の電極との対向面と反対側に配置されて当該第２の電極の前記第１の電極との対向面側にカスプ磁界を形成する複数のマグネットと、を備え、
　前記成膜方法は、
　前記トレンチ又はビアホールを有する基板を前記第１の電極に配置する工程と、
　前記処理室にＮｅを含む処理ガスを導入し、前記第１の電極と前記第２の電極の少なくとも一方にプラズマ形成用の高周波電力を供給すると共に、前記第２の電極上に前記カスプ磁場を生成してプラズマを発生させて前記ターゲットをスパッタし、該スパッタにより生じたターゲット物質を前記トレンチ又はビアホールを有する基板上に成膜する工程と
　を有することを特徴とする薄膜の成膜方法。
　前記処理室の圧力は０．２Ｐａから２７Ｐａの範囲で選択して設定することを特徴とする請求項１に記載の薄膜の成膜方法。
　前記第２の電極に前記高周波電力を供給するための高周波電源の周波数は１０ＭＨｚから３００ＭＨｚの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の薄膜の成膜方法。
　前記第２の電極に供給される高周波電力を３００Ｗから１００００Ｗの範囲で選択して設定し、前記第１電極に供給される高周波電力を０Ｗから２０００Ｗの範囲で選択して設定することを特徴とする請求項１に記載の薄膜の成膜方法。
　前記ターゲットは、導電性を有する単一組成の材料または複合組成の材料であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜の成膜方法。
　前記処理ガスは、Ｎｅを含む希ガスと反応性ガスとの混合ガスであり、
　前記反応性ガスは酸素及び窒素からなるガス群より選択された少なくとも１種であることを特徴とする請求項５に記載の薄膜の成膜方法。
　前記マグネットが、碁盤目状に複数連なる四角形の各角部に対応する位置に配置されており、しかも前記各四角形の辺方向に隣接するマグネットの極性が反対の極性となっていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜の成膜方法。
　前記第１の電極がアノード電極であり、前記第２の電極がカソード電極であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜の形成方法。