(57)【要約】  この成膜方法では、表面に微細な孔又は溝が形成された基板を準備し、該孔又は該溝の側壁部及び底部を含む前記基板の全面にタンタルからなる薄膜を形成し、前記基板の温度が１０℃以上、７０℃以下の範囲に設定された状態で、前記タンタルからなる薄膜の全面に銅からなる薄膜を形成する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に微細な孔又は溝が形成された基板を準備し、
該孔又は該溝の側壁部及び底部を含む前記基板の全面にタンタルからなる薄膜を形成し、
前記基板の温度が１０℃以上、７０℃以下の範囲に設定された状態で、前記タンタルからなる薄膜の全面に銅からなる薄膜を形成する
ことを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
前記銅からなる薄膜を形成する際には、前記基板の温度を２０℃以上、６０℃以下の範囲とすることを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
【請求項３】
前記タンタルからなる薄膜及び前記銅からなる薄膜の少なくとも一方は、スパッタ法によって前記基板上に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜方法。
【請求項４】
表面に微細な孔又は溝が形成された基板を準備し、
該孔又は該溝の側壁部及び底部を含む前記基板の全面に銅の拡散に対してバリア性を有するバリア膜を形成し、
前記基板の温度が１０℃以上、７０℃以下の範囲に設定された状態で、前記バリア膜の全面に銅からなる薄膜を形成することを特徴とする成膜方法。
【請求項５】
前記銅からなる薄膜を形成する際には、前記基板の温度を２０℃以上、６０℃以下の範囲とすることを特徴とする請求項４に記載の成膜方法。
【請求項６】
前記バリア膜及び前記銅からなる薄膜の少なくとも一方は、スパッタ法によって前記基板上に形成されることを特徴とする請求項４又は５に記載の成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の表面に薄膜を形成するための成膜方法に関する。特に、本発明は、基板上に形成された高アスペクト比の孔（ホール）、溝（トレンチ）、又は微細パターンを確実に被覆するための成膜方法に関する。
本願は、２００９年９月１８日に、日本に出願された特願２００９−２１７６５７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体デバイスの製作に用いられる成膜方法においては、基板と銅（Ｃｕ）等からなる配線層との間にバリアメタル層を設けることによって、配線層を構成する材料が基板に拡散して起こる配線の劣化を防止している。
前記バリアメタル層は、スパッタ等のＰＶＤ法や、気相成長法によって、金属又は金属化合物からなる薄膜を基板に成膜することによって形成される。
例えば、低誘電率（ｌｏｗ−ｋ）材料又は酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる基板に、窒化タンタル（ＴａＮ）、タンタル（Ｔａ）、及びそれらを組み合わせた膜からなるバリアメタル層が形成された銅配線を有する半導体素子が開示されている（特許文献１）。【０００３】
また、近年の配線パターンの微細化に伴い、処理すべき基板全面に亘って、深さと幅の比が３を超えるような高アスペクト比のホール、トレンチ、又は微細パターンに対して被覆性よく成膜できること、即ち、カバレッジの向上が強く要求されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１７９１３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、バリアメタル層の上に成膜されるＣｕは、Ｃｕの表面張力によって玉状（球状）に形成されることがある。この現象を抑えるために、Ｃｕを高速で成膜することが必要とされる。しかしながら、Ｃｕの成膜を高速で行うと、例えばプラズマの輻射熱によって基板が熱を持つという問題が生じる。この発熱を抑える目的で、基板を冷却させながら成膜を行うことが一般的であった。【０００６】
従来の成膜方法においては、基板を冷却させつつＣｕを成膜することで、高い被覆性で成膜を行うことが可能であった。しかし、近年、高アスペクト比のホールやトレンチにＣｕを成膜することが要求されるようになると、ホールやトレンチの開口部にオーバーハング（底部における径よりも開口部における径が小さくなる）が発生したり、これに伴ってホールやトレンチの側壁部の被覆性が低下したりする問題が生じている。【０００７】
図４は、基板１７に対しＣｕからなる被膜を成膜した際、トレンチＴにオーバーハングが発生した状態を示す模式的な断面図である。トレンチＴは、側壁部Ｔａ、底部Ｔｂとから構成される溝状の凹部である。また、図４に示す符号Ｂはバリアメタル層を示し、符号Ｌは成膜された薄膜を示している。図４に示すように、スパッタリングを行う際、オーバーハングが形成されていると、スパッタ粒子がトレンチＴに入ることをオーバーハングが物理的に妨げ、サイドカバレッジ（ｔ２ｂ／ｔ１ｂ）、およびボトムカバレッジ（ｔ３ｂ／ｔ１ｂ）も悪化する。【０００８】
本発明は、以上の点に鑑み、基板上に形成された高アスペクト比のホールやトレンチ、また微細パターンに対して、開口部におけるオーバーハングの発生や、側壁部における被覆性の低下を抑制することができる成膜方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１態様の成膜方法は、表面に微細な孔又は溝が形成された基板を準備し、該孔又は該溝の側壁部及び底部を含む前記基板の全面にタンタルからなる薄膜を形成し、前記基板の温度が１０℃以上、７０℃以下の範囲に設定された状態で、前記タンタルからなる薄膜の全面に銅からなる薄膜を形成する。
本発明の第１態様の成膜方法においては、前記銅からなる薄膜を形成する際には、前記基板の温度を２０℃以上、６０℃以下の範囲とすることが好ましい。
本発明の第１態様の成膜方法においては、前記タンタルからなる薄膜及び前記銅からなる薄膜の少なくとも一方は、スパッタ法によって前記基板上に形成されることが好ましい。【００１０】
本発明の第２態様の成膜方法は、表面に微細な孔又は溝が形成された基板を準備し、該孔又は該溝の側壁部及び底部を含む前記基板の全面に銅の拡散に対してバリア性を有するバリア膜を形成し、前記基板の温度が１０℃以上、７０℃以下の範囲に設定された状態で、前記バリア膜の全面に銅からなる薄膜を形成する。
本発明の第２態様の成膜方法においては、前記銅からなる薄膜を形成する際には、前記基板の温度を２０℃以上、６０℃以下の範囲とすることが好ましい。
本発明の第２態様の成膜方法においては、前記バリア膜及び前記銅からなる薄膜の少なくとも一方は、スパッタ法によって前記基板上に形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、基板上に形成された高アスペクト比のホールやトレンチ、微細パターンに対し、オーバーハングの発生を抑えることにより十分な最小開口を確保することができるので、側壁部の被覆性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る成膜装置の概略図である。
【図２】本発明に係る成膜装置を構成する成膜チャンバの概略断面図である。
【図３】本発明に係る成膜方法を用いて成膜された高アスペクト比のトレンチもしくはホールの模式的断面図である。
【図４】成膜された高アスペクト比のトレンチもしくはホールの模式的断面図であり、オーバーハングが形成されていることを示す図である。
【図５】基板温度と最小開口との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１の実施の形態）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の成膜方法を実施するのに用いられる成膜装置１の一例の概略図である。図２は、成膜装置１を構成するチャンバである成膜チャンバ４ａ、４ｂの概略断面図である。
成膜装置１は、搬送室２の周囲にゲートバルブ６を介して、ロードロックチャンバ３、複数の成膜チャンバ４ａ、４ｂ、温度調整チャンバ５が配置されて構成されている。搬送室２は所定の真空度に減圧されている。搬送室２の内部には基板搬送ロボット（図示略）が設置されている。ロードロックチャンバ３は、デガス室として機能し、図示しないヒーターによって処理すべき基板を減圧下において高温で加熱処理してデガスを行い、基板に含まれているガスを除去する。
【００１４】
符号４ａ、４ｂはともに成膜チャンバであるが、第１の成膜チャンバ４ａは、基板１７（図２参照）にバリアメタル層を形成するバリアメタル成膜用のチャンバとして機能する。第２の成膜チャンバ４ｂは、バリアメタル層が形成された基板１７にＣｕを成膜するための、Ｃｕ成膜用のチャンバとして機能する。
温度調整チャンバ５は、加熱装置及び冷却装置を備えており、該温度調整チャンバ５内に成膜前の基板及び成膜後の基板の少なくとも一方を搬送し、基板を冷却又は加熱することができる。
【００１５】
なお、チャンバの配置数等は、適宜変更可能である。例えば、ロードロックチャンバは、搬入用と搬出用のチャンバをそれぞれ別個に設ける構成としてもよいし、バリア成膜前に行う基板クリーニング用のチャンバを設ける機構としてもよい。また、温度調整チャンバ５は必ずしも設ける必要はない。また、搬送室２を設けることなく、ロードロックチャンバ、成膜チャンバなどを工程順に接続するような構成としてもよい。
【００１６】
図２は、上記成膜装置１を構成し、本発明の薄膜の形成に用いることができる成膜チャンバ４ａ、４ｂを詳しく説明するための概略断面図である。該成膜チャンバ４ａ、４ｂは、スパッタ法により基板に薄膜を形成するための処理室である。
成膜チャンバ４ａ、４ｂは、真空槽２０を有している。真空槽２０の天井には、カソード電極１４が固定されている。カソード電極１４の表面にはターゲット１５が配置されている。カソード電極１４には、カソード電極１４に負電圧を印加する直流電源１９が接続されている。
真空槽２０外のカソード電極１４の裏面位置には、永久磁石からなる磁気回路１８が設けられている。真空槽２０は、磁気回路１８が形成する磁束がカソード電極１４とターゲット１５を貫通し、ターゲット１５表面に漏洩磁界が形成されるように構成されている。スパッタリングを行う際にはその漏洩磁界に電子がトラップされ、プラズマが高密度化する。
【００１７】
真空槽２０の底面には、基板ホルダー１６が設けられている。基板ホルダー１６の表面には、シリコン基板等からなる基板１７が、ターゲット１５と略平行に対向配置されている。
また、基板ホルダー１６内には基板電極２１が設けられている。この基板電極２１は、高周波バイアス電力を基板電極２１に印加する高周波電源２２に接続されている。
また、基板ホルダー１６内には、ヒーター２３が設けられており、薄膜を形成する際にヒーター２３に通電し、基板温度を調整することが可能である。
【００１８】
真空槽２０にはガス導入口１２と真空排気口１３とが設けられている。ガス導入口１２にはスパッタリングガスが充填されたガスボンベが接続され、真空排気口１３には、真空ポンプが接続されている（ただし、図２には、ガスボンベと真空ポンプを図示していない）。
【００１９】
上述したように、成膜チャンバ４ａと成膜チャンバ４ｂとは同様の構成を有しているが、成膜する材質に応じてターゲットの材質も変更される。本実施の形態においては、成膜チャンバ４ａのターゲット１５は、Ｔａから形成されており、成膜チャンバ４ｂのターゲット１５は、Ｃｕから形成されている。
【００２０】
次に、この成膜装置１を用いて成膜する工程について説明する。
搬送室２、各成膜チャンバ４ａ、４ｂ、および温度調整チャンバ５の内部は予め減圧され、チャンバ内に存在するガスが除去されている。
まず、トレンチＴが形成された基板１７を複数枚カセットに配置し、基板１７が配置されたカセットをロードロックチャンバ３内部に配置する。
ロードロックチャンバ３の内部を減圧してチャンバに存在するガスを除去し、ロードロックチャンバ３の内部を所定圧力の真空雰囲気としてから、ロードロックチャンバ３から基板１７を取り出し、成膜チャンバ４ａ（バリアメタル成膜用のチャンバ）に搬入する。
【００２１】
成膜チャンバ４ａには、ターゲットとしてＴａターゲット１５が配置されている。
成膜チャンバ４ａ内部が所定圧力の成膜雰囲気となるように、成膜チャンバ４ａを減圧し、成膜チャンバ４ａ内部に存在するガスを除去しながら成膜チャンバ４ａ内部にスパッタリングガスを供給する。基板１７にバイアス電圧を印加し、ターゲット１５をスパッタリングする。すると、スパッタ粒子は基板１７表面に略垂直に入射するため、スパッタ粒子はトレンチＴ周囲の基板１７表面上だけでなく、トレンチＴの内部にも入射し、Ｔａからなるバリアメタル層Ｂが形成される（図３参照）。
Ｔａからなるバリアメタル層Ｂを形成する際の基板１７の温度は、室温（２０℃〜３０℃）程度が好ましい。バリアメタル層Ｂは、５ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚さであることが好ましい。
【００２２】
なお、ここではＴａからなるバリアメタル層Ｂを形成する工程について説明したが、バリアメタル層Ｂとしては、Ｃｕ拡散に対してバリア性を有する金属又は金属化合物からなる膜（バリア膜）であればよい。一例として、チタン（Ｔｉ）からなるバリアメタル層Ｂを採用することもできる。その場合は、ターゲット１５としてＴｉターゲットを配置する。
【００２３】
バリアメタルとしては、機械強度が大きい、緻密な膜形成が可能、配線層と基板との間のバリア効果を有する、電気抵抗が低い、などの特徴を有する材料であれば、上記したようなＴａ、Ｔｉに限ることはない。例えば、ＴｉＮ、ＴｉＷなどのＴｉ化合物、またはＴａＮ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｗ、ＷＮ、Ｚｒ、ＺｒＮ、Ｈｆ、ＨｆＮなどもバリアメタル層Ｂを成膜するための材料として採用することができる。
【００２４】
次に、基板１７を成膜チャンバ４ｂに搬入する。成膜チャンバ４ｂには、ターゲット１５としてＣｕターゲット１５が配置されている。
基板１７を基板ホルダー１６に静電吸着させた後、基板１７の温度が２０℃以上、６０℃以下となるようにヒーター２３を制御する。
基板１７は、静電吸着によって基板ホルダー１６に取り付けられているため、基板１７の温度は基板ホルダー１６と略同じになる。よって、ヒーター２３を用いて基板ホルダー１６の温度を調整することによって、基板１７の温度を制御することが可能となる。
図示しない温度センサーを用いて、基板１７の温度が上記範囲となったことを確認し、上述したバリアメタル層Ｂを形成する方法と同様の方法で、Ｃｕのスパッタリングを行う。Ｃｕの成膜時間は７秒〜１０秒であり、Ｃｕからなる薄膜の厚さは２０ｎｍ〜２５ｎｍ程度が好ましい。
【００２５】
なお、基板１７の温度が高温である場合（例えば１００℃等）、バリアメタル層Ｂの形成後、基板１７を温度調整チャンバ５に搬送し、強制的に基板１７を冷却することによって、より速く基板１７の温度を調整することができる。
温度調整チャンバ５を使用せずに、自然冷却により基板１７の温度を下げてもよい。
【００２６】
上記成膜装置１では、基板１７の温度が２０℃以上、６０℃以下となるように温度制御を行うことによって、ホール又はトレンチにオーバーハングが形成されることを抑制し、高い被覆性を実現することができる。
【００２７】
（実験例）
以下、本発明の成膜方法について行った実験例について説明する。図１に示す成膜装置１を用い、高アスペクト比のトレンチが形成されている基板上にＴａからなるバリアメタル層及びＣｕ膜を成膜した。
基板１７として、φ３００ｍｍのＳｉウエハ表面全体に亘ってシリコン酸化物膜を形成した後、このシリコン酸化物膜中に公知の方法で微細トレンチ（幅３５ｎｍ、深さ１２０ｎｍ）がパターニングによって形成された基板を用いた。また、Ｃｕターゲットとして、Ｃｕの組成比が９９％で、スパッタ面の径がφ４００ｍｍに作製したターゲットを用いた。ターゲットと基板との間の距離を４００ｍｍに設定した。
【００２８】
さらに、成膜条件として、スパッタガスとしてＡｒを用い、０〜１５ｓｃｃｍの流量で導入した。また、Ｃｕターゲットへの投入電力を１８ｋＷ（電流３０Ａ）に設定した。スパッタ時間を１０秒に設定してＣｕ膜の成膜を行った。
このとき、基板１７の温度を−２０℃〜＋８０℃に変化させてＣｕの成膜を行い、薄膜の変化について観察した。第１の評価項目は、成膜後のトレンチの最小開口ｄａ（図３参照）であり、オーバーハングの発生の有無を判定するものである。第２の評価項目は、成膜されたＣｕ膜の側壁部の被覆性である。
【００２９】
図５は、基板１７の温度とトレンチＴの最小開口との関係を示すグラフである。図５において、横軸はＣｕ成膜時の基板温度、縦軸は最小開口である。
このグラフより、基板温度３０℃〜１００℃において、最小開口が１６ｎｍ以上となることがわかった。一方、基板温度−２０℃〜０℃の範囲では、図４に示すようにトレンチの開口部にオーバーハングが形成されたことにより、最小開口ｄｂが小さくなる結果となった。
【００３０】
表１の最小開口の項目について、記号「◎」は１６ｎｍ以上の十分な最小開口が確保されていることを示し、即ち、最良な結果が得られたことを示す。記号「○」は、１４ｎｍ以上の最小開口が確保されていることを示し、即ち、良好な結果が得られたことを示す。記号「×」は、最小開口が１４ｎｍ以下であることを示し、即ち、不良な結果が得られたことを示す。
側壁部の被覆性の項目については、記号「◎」は、側壁部の被覆率６０％以上であり、十分な膜厚が得られたことを示し、即ち、最良な結果が得られたことを示す。記号「○」は、側壁部の被覆率が４０％〜６０％であり、即ち、良好な結果が得られたことを示す。記号「×」は、側壁部の被覆率が４０％以下であり、即ち、不良な結果が得られたことを示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
表１から明らかなように、＋２０℃〜６０℃の範囲においては、最小開口、及び側壁部の被覆性ともに、最良の評価「◎」が得られ、この温度範囲が被覆性の良い成膜に適していることがわかった。
＋１０℃の基板温度においては、最小開口が約１４ｎｍとやや狭かったものの、側壁部の被覆性は良好な結果が得られた。
＋７０℃の基板温度においては、側壁部の被覆性が若干劣っていたものの、最小開口は１６ｎｍであった。
【００３３】
図３は、基板温度を３０℃に調整した上で、Ｃｕを成膜した高アスペクト比のトレンチの模式的断面図を示す。符号Ｔは高アスペクト比のトレンチ、符号Ｂはバリアメタル層、符号Ｌは成膜された薄膜をそれぞれ示している。一方、図４は、基板温度を−２０℃に冷却した上で、Ｃｕを成膜したトレンチの断面である。
図４においては、トレンチＴの上部の膜厚ｔ１ｂと下部の膜厚ｔ２ｂとが不均一である。一方、図３においては、トレンチＴの上部の膜厚ｔ１ａと下部の膜厚ｔ２ａとが略均一である。
また、図３の最小開口ｄａと図４の最小開口ｄｂとを比較すると、図３に示すように基板温度を３０℃に調整することによって、より大きな開口を確保できたことがわかる。さらに、図３のトレンチＴ底部の膜厚ｔ３ａと、図４の膜厚ｔ３ｂとを比較すると、膜厚ｔ３ａの厚みを十分に確保できており、ボトムカバレッジ（ｔ３ａ／ｔ１ａ）が改善されていることがわかる。
さらに、側壁部に付着した膜の凹凸構造（モフォロジー）が、図４に示すようなモフォロジー（構造）から図３に示すようなモフォロジー（構造）へと改善されることがわかる。
【００３４】
なお、本実験例においては、トレンチが形成された基板に対してＣｕの成膜を行ったが、高アスペクト比のホールに対して同様の条件でＣｕの成膜を行った場合も、オーバーハングがなく、高い被膜性を実現することができた。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の成膜方法は、高アスペクト比のホールやトレンチ、及び微細パターンが形成された基板に対し被覆性よく成膜するための成膜方法として、半導体デバイスの製作に特に好適に適用することができる。その他、表面に微細な孔又は溝が形成された基板に成膜する方法として本発明は利用可能である。
【符号の説明】
【００３６】
Ｂ…バリアメタル層、Ｌ…薄膜、Ｔ…トレンチ、１…成膜装置、２…搬送室、３…ロードロックチャンバ、４ａ，４ｂ…成膜チャンバ、５…温度調整チャンバ、１４…カソード電極、１５…ターゲット、１６…基板ホルダー、１７…基板、１８…磁気回路、２０…真空槽、２１…基板電極、２３…ヒーター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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2011034089.tif 000012
2011034089.tif 000013
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