(57)【要約】【課題】ターゲット横方向に飛び出したスパッタ粒子が、プラズマ範囲外のターゲット外周部に堆積することを防止する。【解決手段】このスパッタ装置１００は、基板ホルダ４００、ターゲット保持部材２２０、プラズマ７００を発生させる電源（不図示）、イオン照射部３００と、を備える。電源（不図示）は、基板１０とターゲット２００に高電圧を印加することで、基板１０とターゲット２００との間にプラズマ７００を発生させる。また、イオン照射部３００は、プラズマ７００と異なるイオン源３２０から発生したイオンをターゲット２００の外周部に対して照射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を載置する基板ホルダと、
ターゲットを保持する部材と、
前記基板と前記ターゲットとの間に高電圧を印加することで、前記基板と前記ターゲットとの間にプラズマを発生させる電源と、
前記プラズマとは異なるイオン源から発生したイオンを前記ターゲットの外周部に対して照射するイオン照射部と、
を備えるスパッタ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のスパッタ装置において、
前記ターゲットを回転させる回転機構を備えるスパッタ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のスパッタ装置において、
前記イオンは希ガスイオンであるスパッタ装置。
【請求項４】
基板とターゲットとの間に高電圧を印加して、前記基板と前記ターゲットとの間にプラズマを発生させることにより、前記ターゲットの材料を含む薄膜を前記基板にスパッタ成膜するとともに、
前記プラズマと異なるイオン源から発生したイオンを前記ターゲットの外周部に対して照射する成膜方法。
【請求項５】
請求項４に記載の成膜方法において、
前記ターゲットは金属材料であり、
前記スパッタ成膜する際に反応性のガスを導入して、反応性スパッタにより化合物の前記薄膜を成膜する成膜方法。
【請求項６】
請求項４または５に記載の成膜方法において、
前記薄膜はＴｉＮである成膜方法。
【請求項７】
基板上に、金属または金属化合物の薄膜を形成する薄膜形成工程を備え、
前記薄膜形成工程において、
前記基板とターゲットとの間に高電圧を印加して、前記基板と前記ターゲットとの間にプラズマを発生させることにより、前記ターゲットの材料を含む前記薄膜を前記基板にスパッタ成膜するとともに、
前記プラズマと異なるイオン源から発生したイオンを前記ターゲットの外周部に対して照射する半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパッタ装置、成膜方法および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の多層配線構造において、コンタクトホールのバリア層として、ＴｉＮ膜が用いられている。このＴｉＮ膜を得るためには一般にスパッタにより成膜されるが、このスパッタ成膜においても様々な方法が提案されている。
【０００３】
特許文献１（特開平６−２１６０６７号公報）には、Ｔｉターゲットにより反応性スパッタでＴｉＮを成膜する方法において、ＴｉＮ層の堆積後、次の基板に成膜する前に、Ａｒガス中で発生させたプラズマによりターゲットを清浄にし、ターゲットが清浄となるとこの清浄工程をすぐに終了させる方法が記載されている。これにより、後工程でＷの密着性を阻害する自由Ｔｉを、ＴｉＮ層中から少なくすることができるとされている。
【０００４】
また、特許文献２（特開平９−１７７４７号公報）には、ＴｉＮおよびＴｉを順にスパッタ成膜した後に、窒素含有プラズマを基板に晒して、露出したＴｉからＴｉＮを形成する方法が記載されている。これにより、Ｔｉ層とＴｉＮ層を有する基板の縁部から自由Ｔｉを排除することができるとされている。
【０００５】
また、特許文献３（特開平８−５５８２２号公報）には、以下のような半導体装置の製造方法が記載されている。半導体装置のコンタクトホールまたはスルーホールを開孔後、配線用メタル層形成前に、Ｔｉ膜またはＴｉＮ膜をイオンビームスパッタ成膜する。このとき、基板を装着した基板ホルダ面の法線方向が、基板ホルダ中心とターゲット中心とを結んだ直線と平行になる角度を水平に対してθａとした場合に、基板ホルダの傾き角をθａ±１０に設定して成膜する。これにより、高アスペクト比のホールの底部および側壁部に膜質を劣化させることなく、Ｔｉ膜やＴｉＮ膜を形成することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２１６０６７号公報
【特許文献２】特開平９−１７７４７号公報
【特許文献３】特開平８−５５８２２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、本発明者らは、上記した中でも特許文献１に記載されたような方法を適用しても、以下のような問題があることを見出した。バリア層となる金属化合物膜のスパッタ時において、ターゲット横方向に飛び出した金属化合物粒子が、プラズマ範囲外のターゲットの外周部に堆積する。上記したＡｒガス中で発生させたプラズマにより、ターゲットを清浄化しても、このターゲット外周部における金属化合物の堆積物を除去することはできなかった。このように、ターゲット外周部に堆積した金属化合物膜は、堆積量が多くなるにつれ、膜応力が増大して剥離してしまう。したがって、この剥離した金属化合物片が、基板に付着してしまう可能性があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、
基板を載置する基板ホルダと、
ターゲットを保持する部材と、
前記基板と前記ターゲットとの間に高電圧を印加することで、前記基板と前記ターゲットとの間にプラズマを発生させる電源と、
前記プラズマとは異なるイオン源から発生したイオンを前記ターゲットの外周部に対して照射するイオン照射部と、
を備えるスパッタ装置が提供される。
【０００９】
本発明によれば、
基板とターゲットとの間に高電圧を印加して、前記基板と前記ターゲットとの間にプラズマを発生させることにより、前記ターゲットの材料を含む薄膜を前記基板にスパッタ成膜するとともに、
前記プラズマと異なるイオン源から発生したイオンを前記ターゲットの外周部に対して照射する成膜方法が提供される。
【００１０】
本発明によれば、
基板上に、金属または金属化合物の薄膜を形成する薄膜形成工程を備え、
前記薄膜形成工程において、
前記基板とターゲットとの間に高電圧を印加して、前記基板と前記ターゲットとの間にプラズマを発生させることにより、前記ターゲットの材料を含む前記薄膜を前記基板にスパッタ成膜するとともに、
前記プラズマと異なるイオン源から発生したイオンを前記ターゲットの外周部に対して照射する半導体装置の製造方法が提供される。
【００１１】
本発明によれば、基板とターゲットとの間に高電圧を印加して、基板とターゲットとの間にプラズマを発生させることにより、ターゲットの材料を含む薄膜を基板にスパッタ成膜するとともに、プラズマと異なるイオン源から発生したイオンをターゲットの外周部に対して照射する。これにより、ターゲット横方向に飛び出したスパッタ粒子が、プラズマ範囲外のターゲット外周部に堆積することを防止することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ターゲット横方向に飛び出したスパッタ粒子が、プラズマ範囲外のターゲット外周部に堆積することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第一の実施形態におけるスパッタ装置の構成を示す断面図である。
【図２】図１の破線で囲まれたＡ部を拡大した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１５】
（第一の実施形態）
図１は、第一の実施形態におけるスパッタ装置の構成を示す断面図である。このスパッタ装置１００は、基板ホルダ４００、ターゲット保持部材２２０、プラズマ７００を発生させる電源（不図示）、イオン照射部３００と、を備えている。電源（不図示）は、基板１０とターゲット２００との間に高電圧を印加することで、基板１０とターゲット２００との間にプラズマ７００を発生させる。また、イオン照射部３００は、プラズマ７００と異なるイオン源３２０から発生したイオンをターゲット２００の外周部に対して照射する。以下、詳細を説明する。
【００１６】
図１のように、このスパッタ装置１００は、基板ホルダ４００、ターゲット保持部材２２０、プラズマ７００を発生させる電源（不図示）、イオン照射部３００と、を備えている。
【００１７】
チャンバ１２０には、ガス導入口５００と、排気口６００が備えられている。ガス導入口５００には、スパッタに用いられるガスを導入する配管（不図示）が取り付けられており、マスフローコントローラ（不図示）等で流量調整がなされるようになっている。
【００１８】
また、排気口６００の下流側には、たとえばドライポンプ（不図示）、及びクライオポンプ（不図示）が備えられている。ここで、排気口６００には、バタフライバルブ（不図示）が備えられ、成膜時には一定の気圧に保たれるようになっている。
【００１９】
基板ホルダ４００は、基板１０を載置して固定している。この基板ホルダ４００には、基板１０を回転させるための回転機構（不図示）を備えている。
【００２０】
また、基板１０と対向する側には、薄膜を堆積するためのターゲット２００がターゲット保持部材２２０に取り付けられている。ここで、ターゲット２００は、たとえば、Ｔｉである。なお、ターゲット２００は、Ｔｉに限られるものではなく、たとえば、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、ＭｏおよびＷであってもよい。
【００２１】
ターゲット保持部材２２０は、ターゲット２００の裏面にバッキングプレート（不図示）を備えている。これにより、ターゲット２００とバッキングプレートとの間に冷却水を流すことができるようになっている。また、バッキングプレートの裏側には、マグネット（不図示）が取り付けられている。これにより、高密度のプラズマ７００を発生させることができる。
【００２２】
さらに、ターゲット保持部材２２０は、ターゲット２００を回転させる回転機構２４０を備えている。これにより、ターゲット２００が回転することで、後述するイオン照射部３００からのイオンをターゲット２００の外周部に均一に照射することができる。
【００２３】
また、プラズマ７００を発生させるための電源は、チャンバの外に設置されており、たとえば、ＲＦの高電圧を印加できるようになっている。
【００２４】
加えて、プラズマ７００を発生させるための電源とは別系統として、イオン照射部３００が備えられている。イオン照射部３００は、イオン源３２０と、イオン導入口３４０を有している。イオン照射部３００は、プラズマ７００と異なるイオン源３２０からイオンを発生させる。このとき、照射するイオンは、たとえば、Ａｒガスなどの希ガスイオンである。このため、イオン源３２０には、希ガスイオンを導入する配管（不図示）が接続されている。
【００２５】
ここで、イオン源３２０は、高電圧を印加することでＡｒガスをイオン化させる。このイオン源３２０の先端に設けられたイオン導入口３４０は、上記したＡｒイオンをターゲット２００の表面の外周部に照射するように配置されている。これにより、Ａｒイオンをターゲット２００の外周部方向に加速させる。
【００２６】
次に、第一の実施形態における成膜方法を説明する。本実施形態の成膜方法は、基板１０とターゲット２００に高電圧を印加して、基板１０とターゲット２００との間にプラズマ７００を発生させる。これにより、ターゲット２００の材料を含む薄膜を基板１０にスパッタ成膜する。このとき、同時に、プラズマ７００と異なるイオン源３２０から発生したイオンをターゲット２００の外周部に対して照射する。以下、詳細を説明する。
【００２７】
ここで、基板１０は、たとえば、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などが形成されたシリコン基板である。シリコン基板上には、層間絶縁層（不図示）が形成されている。また、その層間絶縁層には、ビアホールまたは配線溝（不図示）が形成されている。ここでは、たとえば、層間絶縁層に形成されたビアホールまたは配線溝内に、バリアメタル層として、ＴｉＮ層を形成する薄膜形成工程を行う。
【００２８】
まず、大気解放したチャンバ１２０内に、基板１０を投入し、基板ホルダ４００上に載置する。または、真空の搬送用チャンバ（トランスファールーム）（不図示）を介して、チャンバ１２０を大気解放することなく、基板１０をチャンバ１２０に搬送してもよい。次いで、チャンバ１２０をドライポンプ、及びクライオポンプで高真空に排気する。
【００２９】
次いで、ガス導入口５００から、スパッタガスとしてのＡｒガスと、反応性のガスとしてＮ２を導入する。このとき、排気口６００のバタフライバルブ（不図示）を開閉することにより、所望の成膜圧力になるように調整する。
【００３０】
所望の成膜圧力に達したら、基板１０とターゲット２００にＲＦの高電圧を印加して、基板１０とターゲット２００との間にプラズマ７００を発生させる。これにより、ターゲット２００の材料を含む薄膜を基板１０にスパッタ成膜する。
【００３１】
本実施形態では、ターゲット２００は金属材料であり、スパッタ成膜する際に反応性のガスを導入して、反応性スパッタにより化合物の薄膜を成膜する。具体的には、ターゲットはＴｉであり、反応性スパッタによりＴｉＮの薄膜を成膜する。上記した反応性スパッタによって、金属ターゲットの周囲に付着した金属化合物の堆積物は、特に剥離が生じやすい。このため、剥離した堆積物は、基板１０に付着する可能性がある。したがって、本実施形態は、特に反応性スパッタにおいて、基板１０に剥離片が付着することを顕著に抑制することができる。
【００３２】
なお、反応性スパッタによって成膜する薄膜は、ＴｉＮに限られるものではなく、たとえば、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ、ＣｒＮ、ＭｏＮおよびＷＮであってもよい。また、上記窒化物の他、これらの金属酸化物であってもよい。
【００３３】
このとき、同時に、プラズマ７００と異なるイオン源３２０から発生したイオンを、ターゲット２００の外周部に対して照射する。このイオン照射する際において、ターゲット２００を回転機構２４０により回転させる。このイオン照射は、下記のように行われる。
【００３４】
まず、イオン源３２０に、たとえばＡｒガスを導入する。このとき、チャンバ１２０をイオン源３２０よりも陰圧に設定する。このように、チャンバ１２０とイオン源３２０のそれぞれの圧力を制御することにより、安定してイオンを供給することができる。
【００３５】
また、イオン源３２０において、所定の引出電圧を印加し、Ａｒガスをイオン化させる。次いで、イオン導入口３４０において、所定の加速電圧を印加してＡｒイオンを加速させ、回転したターゲット２００の外周部に照射する。これにより、ＴｉＮ粒子がターゲット２００の外周部に堆積することを防ぐことができる。
【００３６】
以上のようにして、基板１０に薄膜のスパッタ成膜を行うとともに、ターゲット２００の外周部にイオン照射を行う。
【００３７】
図２を用いて、第一の実施形態の効果について説明する。図２は、図１の破線で囲まれたＡ部を拡大した断面図である。
【００３８】
図２は、スパッタ成膜時に、ターゲット２００上にプラズマ７００が発生している時を示している。プラズマ７００によって、スパッタされたＴｉ粒子は、導入された窒素イオンと反応してＴｉＮ粒子となり、基板１０方向に飛散する。このとき、ターゲット２００の外周部方向にも飛散し、ターゲット２００の外周部に堆積し始める。
【００３９】
このようなターゲット２００上のＴｉＮの堆積物は、堆積量が多くなるにつれて、膜応力が増大して剥離してしまう。この剥離したＴｉＮ片が、基板１０に付着してしまう可能性がある。
【００４０】
本実施形態では、ターゲット２００の外周部にＡｒイオンを照射する。ターゲット２００の外周部方向にも飛散したＴｉＮ粒子が堆積する前に、照射したＡｒイオンにより再度スパッタされる。
【００４１】
このとき、ターゲット２００の外周部からスパッタされたＴｉＮ粒子は、基板１０やチャンバ１２０内の防着板（不図示）等に向けて飛散する。なお、ターゲット２００の外周部からスパッタされたＴｉＮ粒子のうち、基板１０に堆積したＴｉＮ粒子は、所望のＴｉＮの組成と同一であるため、基板１０の特性に悪影響を及ぼすことがない。
【００４２】
以上のようにして、ターゲット横方向に飛び出したスパッタ粒子が、プラズマ範囲外のターゲット外周部に堆積することを防止することができる。
【００４３】
以上、本実施形態では、プラズマを発生させるための電源がＲＦの高周波電源である場合を説明したが、ＤＣ電源でもよく、またパルスＤＣ電源であってもよい。また、本実施形態では、スパッタ方法がマグネトロンスパッタである場合を説明したが、ＥＣＲスパッタ、イオンビームスパッタ、または対向ターゲットスパッタなどの他のスパッタ方法であってもよい。
【００４４】
以上、本実施形態では、ＴｉＮの薄膜を反応性スパッタにより成膜する方法を説明したが、金属膜または他の金属化合物を成膜する場合であっても、同様の効果を得ることができる。
【００４５】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【００４６】
１０  基板
１００  スパッタ装置
１２０  チャンバ
２００  ターゲット
２２０  ターゲット保持部材
２４０  回転機構
３００  イオン照射部
３２０  イオン源
３４０  イオン導入口
４００  基板ホルダ
５００  ガス導入口
６００  排気口
７００  プラズマ
【図１】
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【図２】
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