(57)【要約】      （修正有）【課題】スパッタリングによる成膜レートを低くし、被処理体の表面に形成されたアスペクト比が３以上の孔または溝の内壁面および内底面に被覆性が良好な金属薄膜を形成し、少ない電力でも、ターゲットにおける自己保持放電を発生させる成膜方法を提供する。【解決手段】ターゲット３に電圧Ｖおよび電流Ｉを印加しチャンバ２内でターゲットから放電が発生した後、スパッタガスの導入を止めてターゲットのイオンにより自己保持放電を発生させ、被処理体Ｗの表面の孔または溝内を含む被処理体の表面全面に金属薄膜を形成する工程において、ターゲットに印加する電流Ｉを一定とし、放電が不安定になった時に電圧Ｖを増大させるとともに、関係式（１）および（２）を満たすことを特徴とする。Ｉ＞Ｉ０・・・（１）、Ｐ＞Ｐ０・・・（２）（Ｉ０：自己保持放電を開始する電流の最小値、Ｐ：ターゲットの電力、Ｐ０：自己保持放電を開始する電力の最小値）【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体の表面にスパッタ法を用いて金属薄膜を形成する成膜方法であって、
チャンバ内にて、被処理体と金属薄膜の母材をなすターゲットを対向配置させ、前記チャンバ内にスパッタガスを導入するとともに、前記ターゲットに負の直流電圧Ｖおよび直流電流Ｉを印加して、前記チャンバ内にて前記ターゲットから放電させて、該放電が発生した後、前記チャンバ内への前記スパッタガスの導入を止めて、前記ターゲットのイオンにより前記放電を自己保持させることにより、前記被処理体の表面に形成された孔または溝の内壁面および内底面を含む前記被処理体の表面全面に金属薄膜を形成する工程において、前記ターゲットに印加する直流電流Ｉを一定とし、前記放電が不安定になった時に、前記直流電圧Ｖを増大させるとともに、次の２つの関係式（１）および（２）を満たすことを特徴とする成膜方法。
Ｉ＞Ｉ０・・・（１）
Ｐ＞Ｐ０・・・（２）
（ここで、Ｉ０：前記放電が自己保持を開始するために必要な直流電流の最小値、Ｐ：前記ターゲットにおける電力、Ｐ０：前記ターゲットにおける前記放電が自己保持を開始するために必要な電力の最小値である。）
【請求項２】
前記ターゲットは、銅、アルミニウム、チタン、タンタル、銀、クロム、モリブデンまたはタンタルから選択されるいずれかの元素からなることを特徴とする請求項１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、被処理体の表面に金属薄膜を形成する金属薄膜の形成方法に関し、特に、薄膜形成方法の一種であるスパッタリング法を用いた金属薄膜の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば半導体デバイスの製作における成膜工程においてはスパッタリング法を用いた成膜装置（以下、「スパッタリング装置」という。）が用いられている。このような用途のスパッタリング装置においては、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高アスペクト比のホールやトレンチおよび微細パターンに対して被覆性よく成膜できることが強く要求されている。
【０００３】
一般的なスパッタリング装置では、スパッタリングガスが導入された真空チャンバ内にターゲットを配置し、ターゲットに負の電圧を印加することによって、スパッタリングガス（例えば、アルゴンガス）をイオン化し、ターゲットに衝突させる。この衝突によってターゲット表面からはスパッタ粒子が飛び出す。ターゲットは、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）またはタンタル（Ｔａ）などの配線薄膜材料によって形成されているため、スパッタ粒子として銅、アルミニウム、チタンまたはタンタルの原子が飛び出し、基板に付着し薄膜となる。
成膜対象である基板は、真空チャンバ内に、ターゲットと所定間隔だけ離隔して対向配置される。
【０００４】
スパッタリング装置としては、銅（Ｃｕ）の自己保持放電を利用したものが開示されている。
自己保持放電では、銅の場合、特定の電圧、電流、磁場条件では、真空チャンバ内へのアルゴン（Ａｒ）などのスパッタガスの導入を止めても、スパッタされた銅粒子がイオン化し、その銅イオンがターゲットに衝突して銅粒子を弾き出して放電を持続することができる。 
【０００５】
また、従来の自己保持放電を用いた成膜方法では、図６に示すように、スパッタリングにより金属薄膜を形成する際、ターゲットにおける電力が一定となるように、ターゲットに印加する直流電圧と直流電流を変化させ、ターゲットにおける放電が不安定になったときに、直流電圧を、放電開始時にターゲットに印加した電圧よりも増加させるとともに、直流電流を、放電開始時にターゲットに印加した電流よりも低下させる制御を行っている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４０２１６０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の自己保持放電を用いた成膜方法では、スパッタリングによる金属薄膜の成膜レートを低くすることができないため、被処理体の表面に形成されたアスペクト比が３以上の孔または溝の内壁面および内底面に被覆性が良好な金属薄膜を形成することができなかった。また、少ない電力では自己保持放電を発生させることができないため、金属薄膜を形成することができないので、省電力化することができなかった。
【０００８】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであって、スパッタリングによる金属薄膜の成膜レートを低くすることができる被処理体の表面に金属薄膜を形成することができるとともに、被処理体の表面に形成されたアスペクト比が３以上の孔または溝の内壁面および内底面に被覆性が良好な金属薄膜を形成することができ、さらには、少ない電力でも、ターゲットにおける自己保持放電を発生させることができる成膜方法を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の成膜方法は、被処理体の表面にスパッタ法を用いて金属薄膜を形成する成膜方法であって、チャンバ内にて、被処理体と金属薄膜の母材をなすターゲットを対向配置させ、前記チャンバ内にスパッタガスを導入するとともに、前記ターゲットに負の直流電圧Ｖおよび直流電流Ｉを印加して、前記チャンバ内にて前記ターゲットから放電させて、該放電が発生した後、前記チャンバ内への前記スパッタガスの導入を止めて、前記ターゲットのイオンにより前記放電を自己保持させることにより、前記被処理体の表面に形成された孔または溝の内壁面および内底面を含む前記被処理体の表面全面に金属薄膜を形成する工程において、前記ターゲットに印加する直流電流Ｉを一定とし、前記放電が不安定になった時に、前記直流電圧Ｖを増大させるとともに、次の２つの関係式（１）および（２）を満たすことを特徴とする。
Ｉ＞Ｉ０・・・（１）
Ｐ＞Ｐ０・・・（２）
（ここで、Ｉ０：前記放電が自己保持を開始するために必要な直流電流の最小値、Ｐ：前記ターゲットにおける電力、Ｐ０：前記ターゲットにおける前記放電が自己保持を開始するために必要な電力の最小値である。）
【００１０】
前記ターゲットは、銅、アルミニウム、チタン、タンタル、銀、クロム、モリブデンまたはタングステンから選択されるいずれかの元素からなることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の成膜方法によれば、金属薄膜を形成する工程において、ターゲットに印加する直流電流Ｉを常に一定とするとともに、その直流電流Ｉに関して上記の関係式（１）を満たすようにして、ターゲットにおける電力Ｐに関して上記の関係式（２）を満たすようにし、さらに、放電が不安定になった時に、ターゲットに印加する直流電圧Ｖを増大させることにより、電力Ｐも増大させるので、スパッタリングによる金属薄膜の成膜レートを低くすることができる。これにより、被処理体の表面に金属薄膜を形成することができるとともに、被処理体の表面に形成されたアスペクト比が３以上の孔または溝の内壁面および内底面に厚みが３０ｎｍ以下であり、かつ、被覆性が良好な金属薄膜を形成することができる。また、少ない電力でも、ターゲットにおける放電を自己保持することができるので、省電力化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の成膜方法に用いられる成膜装置の一実施形態を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の成膜方法に用いられる成膜装置において、垂直磁場を発生させた状態の模式図であり、上下コイルに同方向電流を印加した場合の図である。
【図３】本発明の成膜方法に用いられる成膜装置の他の実施形態を示す模式的断面図である。
【図４】本発明の成膜方法によって成膜された高アスペクト比の微細ホールおよびトレンチを示す模式的断面図である。
【図５】本発明の成膜方法において、ターゲットに印加する直流電流および直流電圧の制御方法を示すグラフである。
【図６】従来の成膜方法において、ターゲットに印加する直流電流および直流電圧の制御方法を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の成膜方法の実施の形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
【００１４】
図１は本発明の成膜方法に用いられる成膜装置の一実施形態を示す模式的断面図である。
この成膜装置１は、ＤＣマグネトロンスパッタリング方式のものであり、真空雰囲気の形成が可能な真空チャンバ２を備える。真空チャンバ２の天井部にはカソードユニットＣが取り付けられている。
なお、この実施形態では、以下、真空チャンバ２の天井部側を「上」とし、その底部側を「下」として説明する。
【００１５】
カソードユニットＣは、ターゲット３を備え、このターゲット３はホルダ５に取り付けられている。
さらに、カソードユニットＣは、ターゲット３のスパッタ面（下面）３ａ前方にトンネル状の磁場を発生する第１磁場発生手段４を備えている。
ターゲット３は、処理すべき基板Ｗ（被処理体）に形成しようとする薄膜の組成に応じて適宜選択された材料、例えば、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）などの元素から構成されている。また、ターゲット３は、処理すべき基板Ｗの形状に対応させて、スパッタ面３ａの面積が基板Ｗの表面積より大きくなるように公知の方法で所定形状（例えば、平面視円形）に形成されている。また、ターゲット３は、公知の構造を有するＤＣ電源（スパッタ電源）９に電気的に接続され、所定の負の電位が印加されるようになっている。
【００１６】
第１磁場発生手段４は、スパッタ面３ａと背向する側（上側）に配置され、ターゲット３に平行に配置されたヨーク４ａと、ヨーク４ａの下面にターゲット３側の極性を交互に変えて配置した磁石４ｂ、４ｃとから構成されている。
なお、磁石４ｂ、４ｃの形状や個数は、放電の安定性やターゲットの使用効率の向上などの観点からターゲット３の前方に形成しようとする磁場に応じて適宜選択され、例えば、薄片状や棒状のものまたはこれらを適宜組み合わせて用いるようにしてもよく、また、第１磁場発生手段４がターゲット３の背面側で往復運動や回転運動するように構成してもよい。
【００１７】
真空チャンバ２の底部には、ターゲット３に対向させてステージ１０が配置され、基板Ｗを位置決め保持できるようになっている。また、真空チャンバ２の側壁には、スパッタガスとしてアルゴンガスを導入するガス管１１が接続され、その他端は、図示しないマスフローコントローラを介してガス源に連通している。さらに、真空チャンバ２には、ターボ分子ポンプやロータリポンプなどからなる真空排気手段１２に通じる排気管１２ａが接続されている。
【００１８】
メタルイオン、希ガス（アルゴンなど）イオンおよび電子の入射方向を制御するための第２磁場発生手段１３と第３磁場発生手段１８は、真空チャンバ２の周囲に設置されている。
第２磁場発生手段１３および第３磁場発生手段１８は、ターゲット３および基板Ｗの中心間を結ぶ垂直軸ＣＬの周りで、かつ、上下方向に所定の間隔を存して真空チャンバ２の外側壁に設けたリング状のコイル支持体１４，１９にそれぞれ、導線１５，２０を巻回してなる第２コイル１６および第３コイル２１と、第２コイル１６および第３コイル２１の通電を可能とする電源装置１７，２２とを備えている。
【００１９】
ここで、コイルの個数、導線１５の径や巻数は、例えば、ターゲット３の寸法、ターゲット３と基板Ｗとの間の距離、電源装置１７，２２の定格電流や発生させようとする磁場の強度（ガウス）に応じて適宜設定される。
【００２０】
電源装置１７，２２は、第２コイル１６および第３コイル２１への電流および電流の向きを任意に変更できる制御回路（図示せず）を備えた公知の構造のものである。本発明では、メタルイオン、アルゴンイオンおよび電子の入射方向を制御するために、第２コイル１６に下向きの垂直磁場が発生するようにマイナスの電流を印加できるようになっている。一方、第３コイル２１には上向きの垂直磁場が発生するようにプラスの電流を印加できるようになっている。
【００２１】
図２は、第２磁場発生手段１３および第３磁場発生手段１８によって形成される磁力線Ｍを示す図である。ここで磁力線Ｍは矢印を用いて図示しているが、この矢印は説明のための便宜上のためのもので、磁場の方向を限定するものではない。Ｎ→Ｓ、Ｓ→Ｎの方向、どちらも含める。
図２は、第２コイル１６、第３コイル２１ともにマイナスの電流を印加した場合の磁力線Ｍ１を示している。第２コイル１６および第３コイル２１にマイナスの電流を印加することによって、ターゲット３と基板Ｗの間に磁力線Ｍ１が通るように磁場が発生する。
【００２２】
図３は、本発明の成膜方法に用いられる成膜装置の他の実施形態を示す模式的断面図である。
この実施形態の成膜装置３０が、図１に示した成膜装置１と異なる点は、第２磁場発生手段１３および第３磁場発生手段１８に相当するものを備えていない点である。
この成膜装置３０によっても、本発明の成膜方法を実施することができる。
【００２３】
次に、成膜装置１を用いて、本発明の成膜方法を説明する。
本発明の成膜方法によって成膜される基板ＷとしてのＳｉウエハ表面に、シリコン酸化物膜Ｉを形成した後、このシリコン酸化物膜Ｉ中に公知の方法で配線用の微細ホール（孔や溝）Ｈをパターニングして形成したものを用い、スパッタリングによりシード層たる銅（Ｃｕ）膜Ｌを成膜する場合を例示する。
【００２４】
真空排気手段１２を作動させて、所定の真空度（例えば、１０−５Ｐａ台）まで真空引きしておく。
次いで、ステージ１０に基板Ｗをセットすることにより、基板Ｗとターゲット３を対向配置させ、それと同時に電源装置１７，２２を作動させて、第２コイル１６および第３コイル２１に通電し、ターゲット３および基板Ｗの間に磁場を発生させる。
【００２５】
次いで、真空チャンバ２内にアルゴンガスなどのスパッタガスを所定の流量で導入しつつ、ＤＣ電源９よりターゲット３に所定の負の直流電圧Ｖおよび直流電流Ｉを印加して、真空チャンバ２内にプラズマ雰囲気を形成する。
この時、第１磁場発生手段４からの磁場によりスパッタ面３ａの前方で電離した電子およびスパッタリングによって生じた二次電子が捕捉され、スパッタ面３ａの前方におけるプラズマ（放電）が発生する。
【００２６】
次いで、プラズマ（放電）が発生した後、真空チャンバ２内へのスパッタガスの導入を止めて、ターゲット３のイオンによりプラズマ（放電）を自己保持させる。これにより、基板Ｗの表面に形成された微細ホール（孔や溝）Ｈの内壁面および内底面を含み、基板Ｗの表面全面に金属薄膜を形成する。
【００２７】
この工程において、図５に示すように、ターゲット３に印加する直流電流Ｉを常に一定とし、プラズマ（放電）が不安定になった時に、ターゲット３に印加する直流電圧Ｖを増大させるとともに、次の２つの関係式（１）および（２）を満たすように、直流電圧Ｖおよび直流電流Ｉを制御する。
Ｉ＞Ｉ０・・・（１）
Ｐ＞Ｐ０・・・（２）
ここで、Ｉ０：プラズマ（放電）が自己保持を開始するために必要な直流電流の最小値、Ｐ：ターゲット３における電力、Ｐ０：ターゲット３におけるプラズマ（放電）が自己保持を開始するために必要な電力の最小値である。
【００２８】
すなわち、ターゲット３に印加する直流電流Ｉを常に一定とするとともに、その直流電流Ｉに関して上記の関係式（１）を満たすようにして、ターゲット３における電力Ｐに関して上記の関係式（２）を満たすようにし、さらに、プラズマ（放電）が不安定になった時に、図５に示すように、ターゲット３に印加する直流電圧Ｖを増大させることにより、電力Ｐも増大させる。これにより、ターゲット３におけるプラズマ（放電）が自己保持して、基板Ｗの表面全面に金属薄膜が形成される。
【００２９】
本発明の成膜方法によれば、金属薄膜を形成する工程において、ターゲット３に印加する直流電流Ｉを常に一定とするとともに、その直流電流Ｉに関して上記の関係式（１）を満たすようにして、ターゲット３における電力Ｐに関して上記の関係式（２）を満たすようにし、さらに、プラズマ（放電）が不安定になった時に、ターゲット３に印加する直流電圧Ｖを増大させることにより、電力Ｐも増大させるので、スパッタリングによる金属薄膜の成膜レートを低くすることができる。これにより、基板Ｗの表面に金属薄膜を形成することができるとともに、基板Ｗの表面に形成されたアスペクト比が３以上の微細ホール（孔や溝）Ｈの内壁面および内底面に厚みが３０ｎｍ以下であり、かつ、被覆性が良好な金属薄膜を形成することができる。また、少ない電力でも、ターゲット３におけるプラズマ（放電）を自己保持することができるので、省電力化することができる。
【実施例】
【００３０】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００３１】
「実施例」
図１に示した成膜装置と同様の装置を用いて、上述したように、金属薄膜を形成する工程において、ターゲットに印加する直流電流Ｉを常に一定とするとともに、その直流電流Ｉに関して上記の関係式（１）を満たすようにして、ターゲットにおける電力Ｐに関して上記の関係式（２）を満たすようにし、さらに、放電が不安定になった時に、ターゲットに印加する直流電圧Ｖを増大させることにより、電力Ｐも増大させる制御を行った。
このとき、直流電圧Ｖと直流電流Ｉを段階的に変化させて、ターゲットにおける自己保持放電の発生の有無を確認した。
また、ターゲットに対して直流電圧Ｖと直流電流Ｉを印加している間、これらの値を測定して、その変動を観察した。
結果を表１に示す。
【００３２】
【表１】
2011179068.tif 000003
【００３３】
表１の結果から、実施例では、ターゲットに印加する直流電流Ｉが２４Ａまで自己保持放電が発生し、ターゲットにおける電力を１５．４〜１５．６ｋＷの範囲に安定に維持できるとともに、自己保持放電を継続することができることが確認された。
【００３４】
「比較例」
図１に示した成膜装置と同様の装置を用いて、金属薄膜を形成する工程において、従来のように、ターゲットにおける電力が一定となるように、ターゲットに印加する直流電圧と直流電流を変化させ、ターゲットにおける放電が不安定になったときに、直流電圧を、放電開始時にターゲットに印加した電圧よりも増加させるとともに、直流電流を、放電開始時にターゲットに印加した電流よりも低下させる制御を行った。
このとき、直流電圧と直流電流を段階的に変化させて、ターゲットにおける自己保持放電の発生の有無を確認した。
また、ターゲットに対して直流電圧と直流電流を印加している間、これらの値を測定して、その変動を観察した。
結果を表２に示す。
【００３５】
【表２】
2011179068.tif 000004
【００３６】
表２の結果から、比較例では、ターゲットに印加する直流電流Ｉが３１Ａまで自己保持放電が発生することが確認された。
また、本比較例によれば、電力が低下したとき、直流電圧を増加させるとともに、直流電流を低下させたところ、ターゲットにおける電力が１５．４〜２１．６ｋＷの範囲で変動するとともに、自己保持放電を継続することができないことが確認された。
【符号の説明】
【００３７】
Ｃ・・・カソードユニット、Ｗ・・・基板（被処理体）、１，３０・・・成膜装置、２・・・真空チャンバ、３・・・ターゲット、３ａ・・・スパッタ面、４・・・第１磁場発生手段、４ａ・・・ヨーク、４ｂ，４ｃ・・・磁石、５・・・ホルダ、９・・・ＤＣ電源（スパッタ電源）、１０・・・ステージ、１１・・・ガス管、１２・・・真空排気手段、１２ａ・・・排気管、１３・・・第２磁場発生手段、１４、１９・・・コイル支持体、１５、２０・・・導線、１６、２１・・・電源装置、１８・・・第３磁場発生手段。
【図１】
2011179068.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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