(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン半導体メタル配線プロセスにおいて高アスペクト比の穴の埋め込みを行うメタル配線スパッタ装置において、真空室に誘導結合ＲＦプラズマ支援マグネトロンカソードを備え、該カソードを、プレーナマグネトロンターゲットの前方にＲＦコイルを取り付け、該ターゲットおよび該コイルの周囲をカバーで覆い、該カバー内のターゲットおよびコイル近傍のガス圧力を該カバー外側の真空室内の圧力より高くなるようにし、該カバーの内側でかつ該ターゲットの近傍に設けたガス導入用ノズルよりスパッタガスをターゲット表面に吹きつけることにより、１０-2Ｐａ台の低圧において、スパッタされた粒子のイオン化率を高くできる構成とし、さらに該カソードの前面部に設けられているターゲットと対向するように設置される基板にＤＣまたはＲＦバイアスを印加して該スパッタされた指向性のある中性の粒子およびイオン化された粒子が高アスペクト比の穴内に導入され、穴の埋め込みが行われるように構成することを特徴とするメタル配線スパッタ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高集積化されたシリコン半導体デバイス等のメタル配線スパッタプロセス技術において、高アスペクト比の穴の埋め込みに適した誘導結合ＲＦプラズマ支援マグネトロンカソードを備えたメタル配線スパッタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高集積化されたシリコン半導体デバイスの高アスペクト比の穴の埋め込みを可能とするものとして、これまで、▲１▼単純なプレーナマグネトロンスパッタ（図１及び２）、▲２▼カソードターゲットとシリコン基板との間にコリメーターを入れたコリメーションスパッタ（図３）、▲３▼１０-2Ｐａ台の低圧でも放電できるプレーナマグネトロンカソードを用いシリコン基板とターゲットとの間隔を広げたロングスロースパッタ（図４）、▲４▼カソードターゲットとシリコン基板との間にＲＦコイルを入れたイオン化メタルプラズマスパッタ（図５；S.M. Rossnagel et.al.：Appl. Phys. Lett. 63 (1993) 3285及びJ. Vac. Sci. Technol. B 12 (1994)
449)などが用いられてきた。
【０００３】
上記▲１▼の単純なプレーナマグネトロンスパッタ（ノーマルスパッタ）では、スパッタは１０-1Ｐａ台で行われるが、この場合、スパッタされた粒子は矢印Ａで示されるように雰囲気ガスにより散乱され、基板３に対しランダムな角度で入射し、堆積する（図１）。その結果、スパッタ膜４は高アスペクト比の穴の入り口付近に多く堆積し、穴の中まで膜を堆積出来ず、穴は中空のままになる（図２）。図１において、１は基板ホルダー、２はターゲットを示す。
【０００４】
上記▲２▼のコリメーションスパッタでは、カソードターゲット１０とシリコン基板１３との間に入れたコリメーター１２により、基板１３に対し高角度をなすスパッタされた粒子Ｂのみを選別し、この粒子を高アスペクト比の穴の埋め込みに用いる（図３）。この場合、穴の埋め込みは可能となるが、長時間使用しているとコリメーターに付着した厚い膜が剥離し、基板１３上に降るため、パーティクルによるメタル配線の断線などの欠陥が生じやすいなどの問題が発生する。図３において、１１は基板ホルダーを示す。
【０００５】
上記▲３▼のロングスロースパッタでは、１０-2Ｐａ台の低圧でも放電できるプレーナマグネトロンカソード２７を用いるため、雰囲気ガスにより散乱されるスパッタ粒子Ｃは少なくなり、シリコン基板２０とターゲット２１との間隔を広げられる。その結果、基板２０に対し高角度の粒子のみが飛来できることになり（図４）、高アスペクト比の穴埋めが可能となる。この方法は構造が単純でパーティクル形成などの問題も少ないが、アスペクト比が高くなるにつれ、斜め入射粒子の影響が無視できなくなり、ボトムカバレッジが低下するなどの問題が発生する。図４において、２２は静電チャックホットプレート、２３ａ及び２３ｂはガス導入口、２４は排気口、２５は低圧スパッタ用磁石、２６はＤＣ電源である。
【０００６】
上記▲４▼のイオン化メタルプラズマスパッタでは、カソードターゲット３０と基板ホルダー３１上に載置されたシリコン基板３４との間にＲＦコイル３２を入れ、ＲＦコイル３２により発生させた誘導結合プラズマでスパッタされた粒子をイオン化させ、更にシリコン基板３４にＤＣあるいはＲＦバイアス３３を印加して当該スパッタ粒子を高アスペクト比の穴に導入することにより穴の埋め込みを行う（図５）。この場合、確かにイオン化率を高くでき（図６）、高アスペクト比の穴の埋め込みを行うことは可能であるが、反応室内のガスの衝突でイオン化するため、１０-1Ｐａ台以下ではイオン化率が急激に低下し（図６）、本法が適用できなくなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記従来のスパッタ法では困難とされていた問題を解消し、超高集積化シリコン半導体デバイスの高アスペクト比の穴の埋め込みを効率よく行えるスパッタ装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のメタル配線スパッタ装置は、シリコン半導体メタル配線プロセスにおいて高アスペクト比の穴の埋め込みを行うメタル配線スパッタ装置において、真空室に誘導結合ＲＦプラズマ支援マグネトロンカソードを備え、高いイオン化率のスパッタ粒子を生成させ、さらに該カソードの前面部に設けられているターゲットと対向するように設置される基板にＤＣまたはＲＦバイアスを印加して該スパッタされた指向性のある中性の粒子およびイオン化された粒子が高アスペクト比の穴内に導入され、穴の埋め込みが行われるような構成になっている。
【００１２】
誘導結合ＲＦプラズマ支援マグネトロンカソードを備えたスパッタ装置を用いて、シリコン基板の高アスペクト比の穴の埋め込みを行うと、イオン化されていない中性粒子はロングロースパッタの特徴を備えたまま、また、イオン化されたスパッタ粒子は基板に印加したＤＣまたはＲＦバイアスにより基板に垂直に入射できるため、高アスペクト比の穴に対しても極めて効率よく埋め込みができることになる。また、バイアスにより適度に加速されたイオン化粒子は、その運動エネルギーにより穴の内表面の堆積膜上でのマイグレーションが加速され、結果として緻密な結晶性に優れた膜が堆積できることになる。
【００１３】
【実施例】
次に、本発明の実施例を図面を参照して説明するが、これは単なる説明のためのもので本発明を何ら限定するものではない。
【００１４】
図７に本発明のスパッタ装置に備えられる誘導結合ＲＦプラズマ支援マグネトロンカソードの構成を示し、図８に図７に示したカソードを備え、シリコン基板の高アスペクト比の孔の埋め込みを効率よく行えるスパッタ装置の構成を示す。なお、カソードの直径は２インチのものを用いた。
【００１６】
前記カソードを備えたスパッタ装置は、図８に示すように、真空室５０内にＡｒガス等の不活性ガス等を導入するガス導入口５１と真空排気口５２とを備え、該真空室５０の内部には、該カソードの前面に設けられたターゲット４１と基板ホルダー５３に保持されたシリコン基板５４とが対向して設けられる。基板ホルダー５３はＤＣまたはＲＦバイアス源５５に接続し、さらにアノードとなるようにアースに接続した。
【００１７】
次に、図７に示すカソードによるイオン化率および図８に示すスパッタ装置を使用して行った高アスペクト比の穴の埋め込みについて説明する。
【００１８】
先ず、図７に示した誘導結合ＲＦプラズマ支援マグネトロンカソードを利用して、Ａｌターゲット４１をスパッタした際のスパッタされたＡｌ粒子のイオン化率について述べる。図９〜１０にＡｌイオンのエネルギー分布測定結果を示す。イオン化された粒子の数は曲線と底辺で囲まれた面積に比例する。この測定では、該カソード前方約１３０ｍｍの位置に設置したシリンドリカルミラー型イオンエネルギーフィルター付の四重極質量分析計を用い、ＲＦコイルへの高周波電力の投入は、図１１に示すような（ａ）誘導結合または（ｂ）容量結合のいずれかで行った。図９（ａ）は誘導結合、図９（ｂ）は容量結合の場合を示す。
【００１９】
図９の場合には、Ａｒスパッタガス圧力を０．１３Ｐａ、ターゲット投入電力をＤＣ６０Ｗ一定とし、ＲＦコイル投入電力を変化させてスパッタを行った。図９でＲＦコイル０Ｗとした曲線が、従来のプレーナマグネトロンスパッタに対応する。これに対し、ＲＦコイルへ高周波電力を投入するとイオン化されるＡｌ粒子の数が急激に増加できることが図９より判る。また、高周波電力の投入法については、図９（ａ）と図９（ｂ）との比較より判るように誘導結合プラズマのほうが効率的である。なお、従来のプレーナマグネトロンスパッタのイオン化率は０．１％〜数％とされているので、本法によるイオン化率はそれより１桁以上大きい。
【００２０】
図１０の場合には、ターゲット投入電力をＤＣ６０Ｗ、ＲＦコイル容量結合の接続でその投入電力を４０Ｗ一定とし、Ａｒスパッタガス圧力を変化させてスパッタを行った。図１０より、本スパッタ法では１０-2Ｐａ台の低圧でもスパッタされた粒子のイオン化率を高く保てることが判る。これが、１０-1Ｐａ台以下ではイオン化率が急激に低下するイオン化メタルプラズマスパッタ（図６）との基本的な相違である。
【００２１】
次に、図８に示す装置を用いて、シリコン基板の高アスペクト比の穴の埋め込みを配線材料としてＴｉを用いて行った。
【００２２】
ターゲット４１下部約２２０ｍｍの位置にある基板ホルダー５３にシリコン基板５４をセットした後、真空排気系によって該室内をほぼ１０-6Ｐａの高真空に排気する。その後基板５４を背後よりヒーター（図示せず）により所望の温度２５０℃まで加熱する。この温度に到達後、ガス導入口５１から室内にＡｒガスを導入し、スパッタガス圧を０．０６５Ｐａに調整する。次いで、ターゲットにＤＣ６０Ｗ、誘導結合の接続（ＲＦコイルの終端を接地）にしたＲＦコイルに３０Ｗの電力を投入しプラズマをたてる。この状態で基板バイアスとしてＤＣ２０Ｗ一定になるように基板印加電圧を調整し、スパッタ成膜を開始する。予め測定しておいた成膜速度より成膜時間を算出し、所望の膜厚約０．２μｍに達したところで成膜を終了する。
【００２３】
本法の場合、シリコン基板表面の高アスペクト比の穴へのＴｉの埋め込みのメカニズムとして、これまで述べたように高いイオン化率のＴｉイオンを基板に印加したＤＣバイアスで基板に垂直に引き込む作用、ロングスロースパッタでイオン化されてない中性Ｔｉ粒子を基板に高角度で入射させる作用があげられる。さらにはスパッタガスであるＡｒのイオン化率も高いため、Ａｒイオンも基板に垂直に引き込まれるが、この入射するＡｒイオンにより図２に示したような穴の入口近傍および壁面に堆積したＴｉ膜が削られ（スパッタされ）るので、この作用による側壁へのＴｉ膜付着の低減および穴底への膜堆積の向上への寄与もある。
【００２４】
このようにして成膜した基板は、該室より取り出した後、穴の埋め込みの程度を調べるため、割ってその断面を走査型電子顕微鏡で観察・測定した。その測定結果を図１２に示す。図中ボトムカバレッジとは、穴の底に堆積した膜の厚さを基板表面に堆積した膜の厚さで除したもので、この値が高いほど穴の埋め込み性能が優れている。図には、従来法との比較例としてロングスロースパッタの結果も併記した。ここでのロングスロースパッタとは、ＲＦコイル投入電力を０Ｗとしたときの結果である。図１２より本発明の方がロングスロースパッタより穴の埋め込み性能が優れていることが判る。
【００２５】
上記実施例では配線材料としてＴｉを用いた場合の例を示したが、その他Ａｌ、Ｃｕ、Ｗなどの金属、ＴｉＮなどの化合物配線材料、さらには（ＢａＳｒ）ＴｉＯ3などの高誘電体材料などの種々の材料を用いる薄膜への適用が可能である。
【００２６】
また、上記実施例ではシリコン基板メタル配線プロセスについて述べたが、その他フラットパネルディスプレー、薄膜磁気ヘッドをはじめ種々の電子機器デバイス薄膜作製プロセスへの適用が可能であることは言うまでもない。
【００２７】
【発明の効果】
誘導結合ＲＦプラズマ支援マグネトロンカソードを備えた本発明のスパッタ装置により、今後ますます集積化の進む基板について、高アスペクト比の穴の埋め込みが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図1】  従来のプレーナマグネトロンスパッタを説明するための概略側面図。
【図２】  図1の従来のマグネトロンスパッタによる穴の埋め込み状態を説明するための概略断面図。
【図３】  従来のコリメーションスパッタを説明するための概略側面図。
【図４】  従来のロングスロースパッタを説明するための概略側面図。
【図５】  従来のイオン化メタルプラズマスパッタを説明するための概略側面図。
【図６】  図５に示す従来のイオン化メタルプラズマスパッタを用いた場合のスパッタ圧力とイオン化率との関係を示すグラフ。
【図７】  本発明のスパッタ装置に備えられるカソードの一実施例を示す概略側面図。
【図８】  本発明のスパッタ装置の一実施例を示す概略側面図。
【図９】  （ａ）本発明のスパッタ装置に備えられるカソードでスパッタされたＡ１イオンのエネルギー分布を示すグラフ（誘導結合プラズマによる高周波電力供給）。
（ｂ）本発明のスパッタ装置に備えられるカソードでスパッタされたＡ１イオンのエネルギー分布を示すグラフ（容量結合プラズマによる高周波電力供給）。
【図１０】  本発明のスパッタ装置を用いてスパッタした場合のＡ１イオンエネルギー分布のスパッタ圧力依存性を示すグラフ（容量結合プラズマ）。
【図１１】  （ａ）誘導結合プラズマによるＲＦコイルへの高周波電力供給法を説明するための線図。
（ｂ）容量結合プラズマによるＲＦコイルへの高周波電力供給法を説明するための線図。
【図１２】  本発明のスパッタ装置を用いた場合の、穴のアスペクト比とボトムカバレッジ（%）との関係を、従来のロングスロースパッタ法と比較して示すグラフ。
【符号の説明】
１、１１、３１、５３  基板ホルダー      ２、１０、２１、３０  ターゲット
３、１３、２０、３４  基板              ４  スパッタ膜
１２  コリメーター                      ２２  静電チャックホットプレート
２３ａ、２３ｂ  ガス導入口              ２４  排気口
２５  低圧スパッタ用磁石                ２６  ＤＣ電源
２７  プレーナマグネトロンカソード      ３２  ＲＦコイル
３３  ＤＣまたはＲＦバイアス            ４０  カソード電極
４１  ターゲット                        ４２  ＲＦコイル
４３  カソードカバー                    ４４  ガス導入用ノズル
４５  高周波電源                        ４６  マッチングボックス
４７  永久磁石                          ４８  ＤＣ電源
４９  磁場                              ５０  真空室
５１  ガス導入口                        ５２  排気口
５４  シリコン基板                      ５５  ＤＣまたはＲＦバイアス源
５６  高アスペクト比の穴
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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