(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタリング法によって、成膜対象物表面に１層目のアルミニウムを主成分とする配線薄膜を形成し、次いでスパッタリング法によって、前記１層目の配線薄膜上に２層目のアルミニウムを主成分とする配線薄膜を形成し、前記成膜対象物表面に形成された微細孔内を前記配線薄膜で充填する配線薄膜製造方法であって、
Ｔｉ薄膜とＴｉＮ薄膜とＴｉ薄膜がこの順序で積層された３層構造の薄膜を前記微細孔を有する前記成膜対象物上に形成し、
前記１層目の配線薄膜は、ターゲットと前記成膜対象物との距離を１２０ｍｍ以上にし、前記成膜対象物を放熱させながら前記３層構造の薄膜の表面に形成し、
前記２層目の配線薄膜は、ターゲットと前記成膜対象物との距離を１２０ｍｍ以上にし、前記成膜対象物を前記１層目の配線薄膜を形成したときよりも高温に加熱して前記１層目の配線薄膜の表面に形成することを特徴とする配線薄膜製造方法。
【請求項２】
前記１層目の配線薄膜は、前記成膜対象物を静電吸着装置上に吸着し、前記成膜対象物を前記静電吸着装置を介して冷却しながら形成することを特徴とする請求項１記載の配線薄膜製造方法。
【請求項３】
前記１層目の配線薄膜は、前記成膜対象物を室温に維持して形成することを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の配線薄膜製造方法。
【請求項４】
前記２層目の配線薄膜は、前記成膜対象物を３５０℃以上の温度に加熱して形成する請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の配線薄膜製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配線薄膜を形成する技術分野にかかり、特に、微細孔内を配線薄膜で充填する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年では、半導体装置の高集積化が進んでおり、絶縁性薄膜に形成されたコンタクトホールやビアホール等の孔や溝の微細化が進んでいる。そのような半導体装置内の素子間は、微細孔内を配線薄膜で充填することで、電気的に接続する必要がある。
【０００３】
そこで従来技術でも、スパッタリング法による、配線薄膜の二段階形成方法が採用されており、室温で形成した１層目の配線薄膜表面に、スパッタリング法によって２層目の配線薄膜を形成する際に、結晶粒を成長させ、それによって配線薄膜を流動化させ、微細孔内を配線薄膜材料で充填している。
【０００４】
その二段階形成方法の工程を図４(ａ)〜(ｄ)を用いて説明すると、先ず、図４(ａ)の符号１１０1で示す基板を用意する。
【０００５】
この基板１１０1は、シリコン単結晶層１１１と、該シリコン単結晶層１１１上に形成されたシリコン酸化膜１１２とを有しており、シリコン酸化膜１１２には、高アスペクト比の微細孔１１３が形成されている。
【０００６】
微細孔１１３底面のシリコン基板１１１表面や、シリコン酸化膜１１２表面は、Ｔｉ層と、そのＴｉ層表面のＴｉＮ層と、そのＴｉＮ層表面のＴｉ層の３層構造の薄膜１２１で覆われており、その状態の基板１１０1を、１層目の配線薄膜を形成するスパッタリング装置内に搬入し、スパッタリングを開始する。
【０００７】
基板は加熱せず、所定時間のスパッタリングを行うと、薄膜１２１表面に、１層目の配線薄膜１２３(アルミニウム薄膜)が形成された基板１１０2が得られる(図４(ｂ))。
【０００８】
このとき、１層目の配線薄膜１２３を厚く形成してしまうと、図５に示すように、微細孔１１３の開口端部周辺に配線薄膜材料が多く堆積し、オーバーハング１３１が形成されてしまう。
【０００９】
オーバーハング１３１が互いに接触するまで成長すると、微細孔１２３内が充填される前に開口端部が閉塞し、その結果、微細孔１１３内部にボイド１３２が形成されてしまう。このようなボイド１３２は、熱処理を行っても完全には除去することができず、接続不良の原因となる。
従って、１層目の配線薄膜１２３は、最終的に得たい配線薄膜の膜厚の１／２程度の膜厚に形成する。
【００１０】
次に、基板１１０2を１層目の配線薄膜１２３を形成したスパッタ室から搬出し、２層目の配線薄膜を形成するスパッタ室内に搬入する。
その基板１１０2は、スパッタ室内に設けられたホットプレート上に載置し、加熱する。基板１１０2が、例えば４５０℃に達したところでスパッタリングを開始すると、１層目の配線薄膜１２３表面に２層目の配線薄膜１２４が成長する(図４(ｃ))。
【００１１】
一般に、室温等の低温の状態でスパッタリングによって形成された配線薄膜は、結晶粒が小さいため、基板温度を５３０℃以上にすると粒径が成長し、そのとき、流動化が発生する。
【００１２】
他方、低温で形成した１層目の配線薄膜１２３上に、スパッタリング法によって２層目の配線薄膜１２４を形成する場合には、２層目の配線薄膜１２４を基板温度４５０℃以上で形成すると、１層目の配線薄膜１２３の粒径が成長し、それに伴い、１、２層目の配線薄膜１２３、１２４が流動化することが知られている。
【００１３】
４５０℃と、低温で流動化する理由は、１層目の配線薄膜１２３が、その表面に入射するスパッタリング粒子からエネルギーを受け取ることや、１層目の配線薄膜１２３が薄膜１２１中のＴｉ原子と反応する等の様々な原因が推測されている。
【００１４】
いずれにしろ、図４(ｃ)に示すように、２層目の配線薄膜１２４が成長中の基板１１０3では、下層の１層目の配線薄膜１２３が流動化する結果、１、２層目の配線薄膜１２３、１２４が微細孔１１３内に流れ込み、微細孔１１３内が充填される。
【００１５】
２層目の配線薄膜１２４が所定膜厚に形成されたところで、スパッタリングを終了すると、平坦な配線薄膜１２５が表面に形成された基板１１０4を得ることができる(図４(ｄ))。
【００１６】
このように、低温で１層目の配線薄膜１２３を形成し、また、２層目の配線薄膜１２４を加熱しながら形成すると配線薄膜１２３、１２４を流動化させられるようになっている。
【００１７】
しかし、１、２層目の配線薄膜１２３、１２４は微細孔内にゆっくり流れ込むため、２層目の配線薄膜１２４の成膜速度を早くすると、微細孔１１３開口端部にオーバーハングが形成されてしまい、得られる配線薄膜１２５内にボイド１３２が発生する場合がある。
【００１８】
この場合、２層目の配線薄膜１２４を形成する際の投入電力を小さくすると、成膜速度が遅くなり、オーバーハング発生を防止できるが、低電力でのスパッタリング制御は困難であり、プラズマ状態や成膜速度が不安定になるという問題がある。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、配線薄膜を流動させる際のスパッタ電力を大きくできる技術を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、スパッタリング法によって、成膜対象物表面に１層目のアルミニウムを主成分とする配線薄膜を形成し、次いでスパッタリング法によって、前記１層目の配線薄膜上に２層目のアルミニウムを主成分とする配線薄膜を形成し、前記成膜対象物表面に形成された微細孔内を前記配線薄膜で充填する配線薄膜製造方法であって、Ｔｉ薄膜とＴｉＮ薄膜とＴｉ薄膜がこの順序で積層された３層構造の薄膜を前記微細孔を有する前記成膜対象物上に形成し、前記１層目の配線薄膜は、ターゲットと前記成膜対象物との距離を１２０ｍｍ以上にし、前記成膜対象物を放熱させながら前記３層構造の薄膜の表面に形成し、前記２層目の配線薄膜は、ターゲットと前記成膜対象物との距離を１２０ｍｍ以上にし、前記成膜対象物を前記１層目の配線薄膜を形成したときよりも高温に加熱して前記１層目の配線薄膜の表面に形成することを特徴とする。
【００２１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の配線薄膜製造方法であって、前記１層目の配線薄膜は、前記成膜対象物を静電吸着装置上に吸着し、前記成膜対象物を前記静電吸着装置を介して冷却しながら形成することを特徴とする。
【００２２】
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の配線薄膜製造方法であって、前記１層目の配線薄膜は、前記成膜対象物を室温に維持して形成することを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の配線薄膜製造方法であって、前記２層目の配線薄膜は、前記成膜対象物を３５０℃以上の温度に加熱して形成する。
【００２３】
本発明は上述したように構成されており、先ず、スパッタリング法によって１層目の配線薄膜を形成した後、更にスパッタリング法によって２層目の配線薄膜を形成している。１層目の配線薄膜と２層目の配線薄膜の両方とも、成膜対象物とターゲットとの距離を１２０ｍｍ以上にしてスパッタリングしているので、基板表面にスパッタリング粒子が垂直に入射し、微細孔の開口端部にオーバーハングが発生しにくくなっている。
【００２４】
そして、成膜対象物とターゲットとの距離を大きくしたため、特に、２層目の配線薄膜を形成する際に、投入電力を小さくしなくても配線薄膜の成膜速度が低下するので、オーバーハングが発生する前に、微細孔内へ配線薄膜が流れ込ませることができる。
【００２５】
１層目の配線薄膜を形成する際、成膜対象物を放熱させ、室温等の比較的低温の状態でスパッタリングを行うと、配線薄膜の粒径が小さくなる。その配線薄膜表面に２層目の配線薄膜を形成する際、成膜対象物を加熱すると、配線薄膜の粒径が成長し、配線薄膜の構造が再配置されるので、１層目の配線薄膜が流動化する。その結果、１、２層目の配線薄膜で微細孔内を充填することができるようになっている。２層目の配線薄膜を形成する際の加熱温度は、３５０℃以上にするとよい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の配線薄膜製造方法を図面を用いて説明する。
【００２７】
図２の符号２は、本発明方法に用いられる薄膜形成装置の一例であり、搬送室３０を中心とし、周囲に搬出入室３１、Ｔｉ薄膜形成室３２、第１配線薄膜形成室４、第２配線薄膜形成室５、熱処理室６、ＴｉＮ薄膜形成室３３が配置されている。
【００２８】
各室４〜６、３１〜３３は、搬送室３０と気密に接続され、真空雰囲気を独立に維持できるようにされており、また、搬送室３０内に配置された基板搬送ロボット３８によって、各室４〜６、３１〜３３間で、基板の搬出入を自在に行えるように構成されている。
【００２９】
この薄膜形成装置２を用い、成膜対象物である基板表面に配線薄膜を形成する場合、先ず、基板を搬出入室３１内に装着し、内部を真空雰囲気にした後、基板搬送ロボット３８によって取り出す。基板は、Ｔｉ薄膜形成室３２及びＴｉＮ薄膜形成室３３内で、スパッタリング法によってＴｉ薄膜とＴｉＮ薄膜とを形成し、基板表面に、Ｔｉ層／ＴｉＮ層／Ｔｉ層の３層構造の薄膜を形成する。
【００３０】
図１(ａ)の符号１０1はその状態の基板を示しており、シリコン単結晶層１１上に形成されたシリコン酸化膜２１表面と、そのシリコン酸化膜２１に形成された微細孔１３底面に、３層構造の薄膜２１が形成されている。特に、微細孔１３底面のシリコン単結晶層１１表面が薄膜２１で覆われ、配線薄膜がシリコン単結晶層１１に直接接触しないようになっている。
【００３１】
薄膜２１が形成された基板１０1は、基板搬送ロボット３８によって第１配線薄膜形成室４内に搬入する。
【００３２】
第１配線薄膜形成室４は、図３(ａ)に示すように、真空槽５１を有しており、該真空槽５１内の天井側には、カソード電極５２が配置され、底壁側には台５５が配置されている。カソード電極５２には、アルミニウムを主成分とするターゲット５４が装着されており、台５５上には静電吸着装置５６が固定されている。
【００３３】
真空槽５１内に基板１０1を搬入し、静電吸着装置５６上に載置し、静電吸着力によって密着させた。真空槽５１内の雰囲気を搬送室３０から遮蔽し、内部を真空排気し、高真空状態になった後、スパッタリングガス(アルゴンガス)を導入した。圧力が０．０４Ｐａで安定したところでカソード電極５２に電力を投入し、ターゲット５４のスパッタリングを開始した。
【００３４】
この第１配線薄膜形成室４では、ターゲット５４と基板１０1との距離ｄ1は１７０ｍｍにされており、スパッタリングの投入電力は１２ｋＷとした。通常のスパッタリング装置では、ターゲットと基板の距離は６０ｍｍ程度と近接しており、その分成膜速度は早くなっているが、第１配線薄膜形成室４では、ターゲット５４と基板１０1間の距離ｄ1が、その３倍近く離れているので、基板１０1表面にスパッタリング粒子が垂直に入射し、微細孔１３の開口端部にオーバーハングが発生しずらくなっている。
【００３５】
このとき、基板１０1の加熱は行わず、台５５内に冷却水を流し、基板１０1にスパッタリング粒子が入射することにより発生する熱を静電吸着装置５６を介して、台５５側に放熱させ、基板１０1が室温を維持するようにした。
【００３６】
所定時間のスパッタリングを行い、図１(ｂ)に示すように、薄膜２１表面に配線薄膜２３が形成された基板１０2を得た。配線薄膜２３の組成はＡｌ−０．５％Ｃｕ、膜厚は４０００Åであり、この状態では、基板１０2の微細孔１３内は、未だ配線薄膜２３で充填されていない。
【００３７】
次に、その基板１０2を、第１配線薄膜形成室４から第２配線薄膜形成室５に搬送した。
【００３８】
第２配線薄膜形成室５は、第１配線薄膜形成室４と同様に、真空槽６１を有しており、真空槽６１内部の天井側には、カソード電極６２が配置され、底壁側には台６５が設けられている。カソード電極６２には、前述のターゲット５４と同じ組成のターゲット６４が装着されており、台６５上には、ホットプレート６６が固定されている。
【００３９】
真空槽６１内に搬入した基板１０2はホットプレート６６上に載置し、真空槽６１内の雰囲気を搬送室３０から遮蔽し、真空排気した。
【００４０】
ホットプレート６６は、予め所定温度に昇温されており、真空排気する際、ホットプレート６６表面に載置した基板１０2は、静電吸着力によってホットプレート６６表面に密着させ、４５０℃に加熱した。
【００４１】
真空槽６１内が高真空状態になった後、スパッタリングガスを導入し、ターゲット６３をスパッタし、１層目の配線薄膜２３表面に、同じ組成の２層目の配線薄膜を堆積させた。
【００４２】
第２配線薄膜形成室５では、基板１０2とターゲット６３との距離ｄ2は１７０ｍｍに設定されており、図１(ｃ)の符号２９で示すように、１層目の配線薄膜２３表面上に２層目の配線薄膜２４を形成中の基板１０3には、スパッタリング粒子が垂直に入射するようになっている。従って、微細孔１３の底部にスパッタリング粒子が到達し、微細孔内に１、２層目の配線薄膜２３、２４が堆積する。
【００４３】
この第２配線薄膜形成室５でのスパッタリング条件は、第１配線薄膜形成室４でのスパッタリング条件と同じであり、成膜速度が遅くなっている。従って、微細孔１３の開口端部にオーバーハングが発生する前に、粒径成長に伴って１層目の配線薄膜２３が流動化し、１、２層目の配線薄膜２３、２４が微細孔１３内に流れ込んでいる。
【００４４】
所定時間のスパッタリングが終了した後、基板１０4を搬出入室３１内に搬送し、外部に取り出したところ、表面が平坦化された配線薄膜２５が観察された(図１(ｄ))。微細孔１３内は、その配線薄膜２５によって充填されており、ボイドの発生は観察されなかった。
【００４５】
以上説明したように、本発明の配線薄膜製造方法では、１層目の配線薄膜２３を形成する際の基板・ターゲット間距離ｄ1だけでなく、２層目の配線薄膜２４を形成する際の基板・ターゲット間距離ｄ2も大きくしており、その結果、微細孔１３内にスパッタリング粒子が垂直に入射し、また、成膜速度が遅いことから、オーバーハングが発生する前に、微細孔内に１、２層目の配線薄膜２３、２４が流れ込むようになっている。
【００４６】
なお、上記実施例では、１層目の配線薄膜表面に２層目の配線薄膜を形成したが、１層目の配線薄膜自体を二層に分け、基板温度を変えて形成してもよい。また、２層目の配線薄膜上に、更に配線薄膜を形成してもよい。
【００４７】
また、上記実施例では、２層目の配線薄膜２４を形成する際の基板・ターゲット間距離ｄ2を１７０ｍｍとしたが、成膜速度や装置の大きさの観点から、１２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下の範囲が適当である。
流動化後の配線薄膜２５の膜厚が６０００Åである場合、１層目の配線薄膜２３の膜厚は、３０００Å〜４０００Å程度が適当である。
【００４８】
【発明の効果】
投入電力を小さくしなくても、２層目の配線薄膜の成膜速度を遅くできるので、スパッタリングの制御性が向上する。
２層目の配線薄膜を形成する際に、基板にスパッタリング粒子が垂直に入射するので、オーバーハングが発生しにくくなっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】(ａ)〜(ｄ)：本発明の配線薄膜製造方法の工程の一例を説明するための図
【図２】本発明に用いることができる薄膜形成装置の一例
【図３】(ａ)：その第１配線薄膜形成室を説明するための図    (ｂ)：その第２配線薄膜形成室を説明するための図
【図４】(ａ)〜(ｄ)：従来技術の配線薄膜製造方法の工程を説明するための図
【図５】オーバーハングの状態を説明するための図
【符号の説明】
１０1〜１０4……成膜対象物    ５２、６２……ターゲット    ２３……１層目の配線薄膜    ２４……２層目の配線薄膜
【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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