(57)【要約】      （修正有）【課題】高価な装置を使用することなく、簡単な方法にて、コンタクトホール等の穴や溝の内壁、とくに深部の内壁の金属薄膜層のカバレッジを向上させる金属薄膜層の形成方法を提供する。【解決手段】スパッタ法により、ターゲット３から放出されるスパッタ粒子を基板２に形成されたコンタクトホールの内壁に堆積して金属薄膜を形成する方法において、ターゲット３に印加する放電電力の１／４〜１／２のバイアス電力を基板２に印加する。【選択図】  図２
2004200401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタ法により、ターゲットから放出されるスパッタ粒子を基板に形成されたコンタクトホールの内壁に堆積して金属薄膜を形成する方法において、該ターゲットに印加する放電電力の１／４〜１／２のバイアス電力を該基板に印加することを特徴とする金属薄膜層の形成方法。
【請求項２】
前記請求項１の金属薄膜層形成後に、該基板にバイアス電力を印加することなく、さらに金属薄膜を形成することを特徴とする金属薄膜層の形成方法。
【請求項３】
金属は、銅(Cu)、アルミ(Al)、クローム(Cr)、チタン(Ti)、タングステン(W) 、モリブデン(Mo)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、タンタル(Ta)、窒化チタン(TiN) 、窒化タンタル(TaN) 、チタン・タングステン(TiW) のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の金属薄膜層の形成方法。
【請求項４】
該チャンバ内にマグネトロンにより磁界を印加することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の金属薄膜層の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属薄膜層の形成方法に関し、とくに半導体装置基板の高アスペクト比のコンタクトホール等の内壁に、カバレッジ良く金属薄膜を形成する金属薄膜層の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体搭載用基板としてプリント配線板、もしくはセラミック基板が用いられていた。プリント配線板の場合の上下の配線接続方法として、ドリル又は炭酸ガスレーザ等で絶縁基板にスルーホールを形成し、無電解銅めっきでシード層を形成した後、電気銅めっきで厚付けしてスルーホールを銅で埋めている。セラミック基板の場合は、銅のパターンを形成したグリーンシートを、数枚重ねて焼結、一体化している。または、スルーホールを予め形成した窒化チタン(TiN) のようなセラミック基板にタングステンを充填して焼結している。
【０００３】
近年、インターネットや携帯電話／端末が普及し、より高性能化が求められ、タイムリーな製品提供の要求に対応でき、かつシステムLSI に近い性能を実現するシステムインパッケージ(SIP) 技術が台頭している。SIP の基板は、プリント配線板を使用したビルトアップ構造基板や厚膜セラミック基板に比較して高周波特性に優れたキャパシタの無機薄膜が形成でき、10μm 付近の高密度配線が可能なシリコン(Si)ウエハを使うことが検討されている。そのSIP 基板の構造は、ウエハ表面に形成されたキャパシタおよび薄膜配線層と、表裏面の配線を接続するためのコンタクトホールとからなる。そのコンタクトホールの直径は50〜100 μm で、深さは50〜500 μm となり、アスペクト比は1 以上でありテーパはほとんどついてない。このコンタクトホールの充填方法の1 つとして、ウエハに、ウエハを貫通させず底部を残したブラインドビアを形成し、その中にまず絶縁層を形成後、障壁( バリアメタル）層、導体金属層を形成し、導体金属をめっきにて充填した後、ウエハの裏面を研磨してビアの先端を露出させる方法がある。
【０００４】
このような高いアスペクト比を有し、しかも深いコンタクトホールのホール深部までカバレッジ（段差被覆性）よく、金属薄膜層、バリア層を形成するのは容易ではない。この金属層をCVD により成膜するとカバレッジには優れるが高コストになり、また、スパッタリングにより成膜する場合は、コストではCVD に優れるもののホールの深部になるほどカバレッジが劣化する、そして、そのカバレッジの劣化を補うために成膜時間を長くすると表面の膜厚が増大し、コンタクトホールの開口部を狭くし、さらにウエハ表面の増大した膜厚の応力によりウエハ基板を反らせてしまい、その後の製造プロセスに影響を及ぼす可能性がある。LSI においては、コンタクトホールの微細化、高アスペクト化は更に進んでおり、導体金属薄膜層、およびバリアメタル層のスパッタリング方法について様々な提案がなされている。例えば、ターゲットと基板の間に格子状の板であるコリメータを配置してスパッタ粒子の垂直成分を強制的に高めるコリメータスパッタ方法（例えば、米国特許第4,824,544 号明細書) が提案されている。また、ターゲットからスパッタされる堆積材料の少なくとも一部をイオン化し、かつそれを基板の方に電気的に引きつけることにより、アスペクト比の高いホールを均一に成膜するイオン化堆積法（例えば、特開平11-80947号公報) が提案されている。また、金属膜を形成する際に、スパッタにより届きにくいコンタクトホールの底隅部のカバレッジを向上するために、スパッタ後に逆スパッタして、底部に堆積した金属層を周囲に拡散させる逆スパッタ法（例えば、特開平5-107304号公報) もある。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許第4,824,544 号明細書
【０００６】
【特許文献２】
特開平11-80947号公報
【０００７】
【特許文献３】
特開平5-107304号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記コリメータスパッタは成膜速度がおそいという問題がある。また、イオン化堆積法も堆積速度がおそく、電力条件が大きく、かつ装置が高価であり、コストアップしてしまうという問題がある。また、逆スパッタ法は、コンタクトホール深部内壁まで金属層を成膜できない。
【０００９】
本発明は、これら従来の問題を解消し、装置が高価にならず簡単な方法により、コンタクトホール等の穴や溝の内壁、とくに深部の内壁の金属薄膜層のカバレッジを向上させる金属薄膜層の形成方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１の発明では、チャンバ内に配置されたターゲットをスパッタして、ターゲットから放出されるスパッタ粒子を基板に形成されたコンタクトホールの内壁に堆積して金属薄膜を形成する方法において、ターゲットに印加する放電電力の１／４〜１／２のバイアス電力を該基板に印加することを特徴とする。請求項２の発明では、金属薄膜層形成後に、基板にバイアス電力を印加することなく、さらに金属薄膜を形成することを特徴とする。請求項３の発明では、金属は、銅(Cu)、アルミ(Al)、クローム(Cr)、チタン(Ti)、タングステン(W) 、モリブデン(Mo)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、タンタル(Ta)、窒化チタン(TiN) 、窒化タンタル(TaN) 、チタン・タングステン(TiW) のいずれかであることを特徴とする。請求項４の発明では、チャンバ内にマグネトロンにより磁界を印加することを特徴とする。
【００１１】
すなわち、本発明では、スパッタ法により、ターゲットから放出されるスパッタ粒子を基板に形成されたコンタクトホールの内壁に堆積して金属薄膜を形成する方法において、ターゲットに印加する放電電力の１／４〜１／２のバイアス電力を基板に印加するという比較的簡単な方法により、イオン化されたスパッタ粒子を基板に印加された適度の負バイアスにより基板側に引き寄せホール深部まで堆積させることができる。このため高価な装置を使用することなく既存の装置を使用して、コンタクトホール等の穴や溝の内壁、とくに深部の内壁の金属薄膜層のカバレッジを向上させる金属薄膜層の形成方法を実現できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明の金属薄膜層の形成方法を実施するためのスパッタ装置の構成図である。図２において、１は真空チャンバ、２は基板、３はターゲット、４は基板に高周波(RF)電力を印加するためのRF電源、５はターゲット３に放電電力を印加するためのターゲット電圧電源、６はソレノイドコイル、７は電磁石、８はスパッタガスを示す。
【００１３】
次に、本発明の第１の実施例について説明する。基板は、シリコン(Si)ウエハに直径50μm 、深さ150 μm(アスペクト比3)のホールが形成されており、その表面に絶縁層としてTEOS(Tetra Ethoxyortho Silane)膜が形成され、その表面にバリアメタル層としてCr、さらにその表面にめっきシード層としてCu、そしてCuのめっきによりコンタクトホールが充填される構造の基板である。ここで、バリアメタル層のCrとめっきシード層Cuをスパッタで形成する。スパッタは、直流(DC)マグネトロンスパッタで、基板２にはRF電源４によりでバイアスを印加する。真空チャンバ１内を５×１０-4Pa以下まで減圧し、その後スパッタガス８としてアルゴン(Ar)ガスを真空チャンバ１内に導入し、放電圧力を0.1Pa に設定する。放電電力2KW に対して、バイアス電力を1KW に設定し、バリアメタルとしてCrを7 分間スパッタした。比較として基板２にバイアス電力を印加しない場合も実施した。図１および表１はこの結果を示すもので、表１の( ) 内の数字は表面膜厚に対する内部各箇所の膜厚の比率を示す。図１、表１から基板にバイアスを印加した方が明らかにホール９深部の内壁の金属薄膜層１０の膜厚が上がっていることがわかる。なお、ホール底部の膜厚が薄くなっているので、さらにバイアス印加無しで2 分間の追加スパッタを行ないホール底部のカバレッジを上げた。
【００１４】
【表１】
2004200401.tif 000003
【００１５】
次に、本発明の第２の実施例では、バリアメタルとしてタングステン(W) を使用し、実施例１と同じ条件でスパッタした。表２は実施例２の結果を示すもので、基板２にバイアスを印加した方が明らかにホール深部の内壁の膜厚が上がっており、実施例１のCrの場合よりもさらに効果がある。なお、この場合バイアス印加無しでの追加スパッタは特に行わなかった。
【００１６】
【表２】
2004200401.tif 000004
【００１７】
次に、本発明の第３の実施例では、バリアメタルとしてクローム(Cr)を使用し、放電電力2KW 、放電圧力0.1Pa 、スパッタ時間20分の条件でスパッタを行った。表３は実施例３の結果を示すもので、基板２にバイアスを印加した方がホール深部の内壁の膜厚が上がっていることがわかる。
【００１８】
【表３】
2004200401.tif 000005
【００１９】
次に、本発明の第４の実施例では、バリアメタルとしてタングステン(W) を使用し、実施例３と同じ条件でスパッタした。表４は実施例４の結果を示すもので、基板２にバイアスを印加した方が明らかにホール深部の内壁の膜厚が上がっていることがわかる。
【００２０】
【表４】
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【００２１】
次に、本発明の第５の実施例では、めっきシード層としてCuを使用して、放電電力2KW 、放電圧力0.1Pa 、バイアス電力1KW 、スパッタ時間20分のスパッタを行った後に、さらにバイアス印加無しで２分間の追加スバッタを行った。表５は実施例５の結果を示すもので、追加スパッタを行うことにより、ホール底部のカバレッジが改良されていることがわかる。
【００２２】
【表５】
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【００２３】
次に、本発明の第６の実施例では、バリアメタル層としてCrを使用して、放電電力2KW 、放電圧力0.1Pa 、スパッタ時間５分間で、基板２に印加するバイアス電力を種々変化させてスパッタを行った。表６は実施例６の結果を示すもので、ある。なお膜厚50Å以上でバリアメタルとしての効果があるため、バイアス電力が無し、或いは100Wのときは、ホール深さ130 μm の箇所でこの50Å以上という膜厚値を満足しない。実施例６の結果によると、基板２に印加するバイアス電力はターゲットに印加する放電電力の1/4 〜１/2のときにホールの深部であるホール深さ130 μm の箇所においても50Å以上の膜厚が得られる効果がある。
【００２４】
【表６】
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【００２５】
ターゲット３から放出されたスパッタ粒子は、その一部がイオン化しているため、ターゲット３に引き戻されなかったものは基板２に印加された負バイアスにより基板２に引き寄せられてホール深部まで引き込まれて堆積する。さらにスパッタガス８のArイオンも負バイアスに引き寄せられて基板２の表面をスパッタするためスパッタ時間が長くても表面膜厚は厚くならず、従って前述の膜厚の応力による基板への影響も少ない。またこのArイオンはホール底部に堆積した金属層もスパッタし、そのスパッタされた粒子がホール深部内壁に堆積するため内壁のカバレッジは更によくなる。この基板２に負バイアスを印加する効果は、ターゲット３に印加する放電電力の1/4 〜1/２が最適で、それより低いと効果なく、それより高いと放電が不安定になって所望の膜厚が得られなくなる。効果的にイオン化するためにマグネトロンによりターゲット３近傍のプラズマ濃度を局部的かつ極度に高くする方法が有効である。  また、ターゲット３と基板２の間にソレノイドコイル６を配置して高周波を印加すると、高濃度プラズマが発生し、イオン化効率が非常によくなるので、このようなスパッタ装置を使用してもよい。ただし、この方法によるとホール底部のカバレッジは悪くなるので、必要により負バイアス印加無しで追加スパッタすればよい。この場合、ターゲット３と基板２間の距離を長くして、垂直入力成分を多くできるロングスロースパッタによるのがより効果的である。本発明はめっきシード金属としてCu以外にアルミ(Al)、またバリアメタルとしてCr、W の金属の他に、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、タンタル(Ta)、窒化チタン(TiN) 、窒化タンタル(TaN) 、チタン・タングステン(TiW) 等の金属薄膜層の形成にも適用できる。なお、ターゲット３の放電電力は100W〜2KW の範囲で印加する。また、本発明の実施例では、基板2 に対して高周波(RF)電力を印加し、ターゲット３に対して直流(DC)電力を印加しているが、逆に、基板２に対して直流(DC)バイアス電力を印加し、ターゲット３に対して高周波(RF)電力を印加してもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、チャンバ内に配置されたターゲットをスパッタして、ターゲットから放出されるスパッタ粒子を基板に形成されたコンタクトホールの内壁に堆積して金属薄膜を形成する方法において、ターゲットに印加する放電電力の１／４〜１／２のバイアス電力を基板に印加するという比較的簡単な方法により、高価な装置を使用することなく既存の装置を使用して、コンタクトホール等の穴や溝の内壁、とくに深部の内壁の金属薄膜層のカバレッジを向上できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】基板のコンタクトホールに金属薄膜層を形成した場合の膜厚分布状態を示す図。
【図２】本発明の金属薄膜層の形成方法を実施するためのスパッタ装置の構成図。
【符号の説明】
１            真空チャンバ
２            基板
３            ターゲット
４            RF電源
５            ターゲット電圧電源
６            ソレノイドコイル
７            電磁石
８            スパッタガス
９            コンタクトホール
１０          金属薄膜層
【図１】
2004200401.tif 000009
【図２】
2004200401.tif 000010