(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空槽内を真空雰囲気にし、銅を主成分とするターゲットをスパッタリングし、微細孔を有する処理対象物表面に銅薄膜を形成する銅薄膜形成方法であって、
前記処理対象物を前記ターゲットから１５０ｍｍ以上離間させて配置し、
前記真空槽内にスパッタリングガスを導入し、前記ターゲットへ直流電圧を印加して前記ターゲット表面近傍に前記スパッタリングガスのプラズマを発生させ、
前記スパッタリングガスの導入を停止させ、前記真空槽内の圧力を低下させ、前記ターゲット表面近傍に生じた銅プラズマによる前記ターゲットの自己スパッタリングを開始させた後、
前記処理対象物の裏面側に配置された電極に交流電圧を印加し、
前記微細孔の開口部に成長した銅薄膜に銅イオンを入射させ、前記微細孔の開口部の前記銅薄膜を除去することを特徴とする銅薄膜形成方法。
【請求項２】
前記ターゲットに、ターゲット表面の１ｃｍ2当たり７０Ｗ以上の電力を投入することを特徴とする請求項１記載の銅薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスパッタリング技術に関し、特に、銅薄膜の形成に適したスパッタリング技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置内の薄膜や液晶表示装置内の薄膜等を形成するために、従来より、図５に示すようなスパッタ装置１０１が用いられている。
【０００３】
このスパッタ装置１０１は、真空槽１１０を有しており、真空槽１１０にはガス導入口１２１と真空排気口１２２が形成されている。また、真空槽１１０の底壁上には基板ホルダー１１２が配置され、天井側にはカソード１１３が配置されている。カソード１１３の基板ホルダー１１２に対向する面には、ターゲット１１６が配置されており、カソード１１３の裏面側には磁石１１５が配置されている。
【０００４】
このスパッタ装置１０１を用いる場合、先ず、真空排気口１２２から真空槽１１０内を真空排気し、内部を高真空状態にしておき、真空槽１１０内に搬入した基板１０２を基板ホルダ１１２上に載置する。
【０００５】
次いで、ガス導入口１２１からスパッタリングガスを導入し、真空槽１１０内が所定圧力で安定したところでカソード１１３に電圧を印加すると、ターゲット１１６表面近傍に、スパッタリングガスのプラズマが発生する。このとき、磁石１１５によってプラズマが高密度に閉じ込められ、ターゲット１１６がスパッタリングされ、基板１０２表面に薄膜が形成される。
【０００６】
上記のようなスパッタ装置１０１では、スパッタリングガスのプラズマを安定に維持するためには、高真空雰囲気にされた真空槽１１０にスパッタリングガスを導入し、圧力を１０-2Ｐａ〜１０-1Ｐａ程度に上昇させる必要がある。そのため、薄膜はスパッタリングガス雰囲気中で成長するため、形成された薄膜中にスパッタリングガス分子が取り込まれ、膜質が低下してしまうという問題がある。
【０００７】
また、基板ホルダ１１２に電圧を印加してスパッタリング粒子を基板１０２表面に引き込もうとすると、成長中の薄膜表面にスパッタリングガスのイオンが入射し、膜質を劣化させてしまうという問題がある。
【０００８】
そこで従来技術でも、ターゲット１１６表面から飛び出したスパッタリング粒子が基板１０２表面にできるだけ垂直に入射するように、ターゲット１１６と基板１０２の間の距離を大きくし、且つ、真空槽１１０内をできるだけ低圧力にした状態でスパッタリングを行うようにされていた。
【０００９】
しかしながら、ターゲット・基板間距離を大きくすると薄膜形成速度が遅くなるため、真空槽１１０内にできるだけ多くのスパッタリングガスを導入し、スパッタ速度を速くする必要がある。
【００１０】
従って、スパッタリングの際に真空槽１１０内を低圧力状態にするのにも限界があり、スパッタリングガスを含まず、高品質の薄膜を形成することができなかった。
【００１１】
他方、基板１０２表面に形成された微細孔内を薄膜で充填する場合に、スパッタリング粒子の直線性を向上させるために、薄膜形成速度を犠牲にして、基板・ターゲット間距離を大きくし、真空槽１１０内を低圧力雰囲気にすると、微細孔側壁に薄膜が形成されなくなり、サイドカバレッジが悪化するという問題がある。
【００１２】
【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、高品質の薄膜を形成でき、微細孔内を充填できる銅薄膜形成方法を提供することにある。
【００１３】
【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、真空槽内を真空雰囲気にし、銅を主成分とするターゲットをスパッタリングし、微細孔を有する処理対象物表面に銅薄膜を形成する銅薄膜形成方法であって、前記処理対象物を前記ターゲットから１５０ｍｍ以上離間させて配置し、前記真空槽内にスパッタリングガスを導入し、前記ターゲットへ直流電圧を印加して前記ターゲット表面近傍に前記スパッタリングガスのプラズマを発生させ、前記スパッタリングガスの導入を停止させ、前記真空槽内の圧力を低下させ、前記ターゲット表面近傍に生じた銅プラズマによる前記ターゲットの自己スパッタリングを開始させた後、前記処理対象物の裏面側に配置された電極に交流電圧を印加し、前記微細孔の開口部に成長した銅薄膜に銅イオンを入射させ、前記微細孔の開口部の前記銅薄膜を除去することを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の銅薄膜形成方法であって、前記ターゲットに、ターゲット表面の１ｃｍ2当たり７０Ｗ以上の電力を投入することを特徴とする。
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
本発明は上記のように構成されており、真空槽内を真空雰囲気にし、真空槽内に配置された銅を主成分とするターゲットをスパッタリングして処理対象物表面に銅薄膜を形成する銅薄膜形成方法である。処理対象物は、一般的には、半導体ウェハーや液晶用のガラス基板等の板状の基板である。そのような基板表面に銅薄膜を形成する場合、先ず、真空槽内にアルゴンガス等のスパッタリングガスを導入し、ターゲットに電圧を印加し、ターゲット表面近傍にスパッタリングガスプラズマを形成し、プラズマ中のスパッタリングガスイオンをターゲットに入射させる。
【００１９】
すると、ターゲット表面から銅粒子(銅原子や銅原子のクラスタ)が飛び出し、真空雰囲気中に銅粒子が多量に存在する状態になると、銅のプラズマが形成されるようになる。
その状態になると、銅プラズマ中の銅イオンがターゲットに入射し、ターゲット表面から銅粒子が放出されるようになる(銅の自己スパッタリング)。
【００２０】
ここで自己放電スパッタリングを説明すると、スパッタリングによってＣｕターゲットからたたき出されたＣｕ粒子がプラズマ中で電離し、Ｃｕイオン(Ｃｕ+)となってＣｕターゲットに再突入し、更にＣｕ粒子を吐き出す現象である。十分な量のＣｕイオンが存在すると、Ａｒガス(スパッタリングガス)の供給を停止してＡｒイオンが存在しなくなっても、プラズマ(放電)は維持され、スパッタリング現象が持続できるものである。
【００２１】
公知の様に、Ｃｕは二次電子を放出しやすい物質(材料)であり、且つ一般的にスパッタリングに用いられる材料の中で、スパッタリング収率が比較的大きいものである。
【００２２】
因みに、スパッタリング収率は、スパッタリングに用いるガスのイオンＡｒ+が０．３ｋｅＶのとき、例えばＡｌが０．６７であり、Ｃｕは１．２である。これは、Ａｌに比べて１．８倍のＣｕ粒子がターゲットより叩き出される事を意味する。つまり、ＣｕはＡｌに比べ１．８倍のスパッタリング収率である。
【００２３】
他方、Ｃｕイオン(Ｃｕ+)を用いた場合のＣｕスパッタリング収率は２．３となり、従って、自己放電作用によるＣｕイオン(Ｃｕ+)によってＣｕがスパッタリングされる場合、その収率は、Ａｒイオン(Ａｒ+)によるＣｕスパッタリング収率の１．９倍である。更にＡｌをＡｒ+でスパッタリングする場合の収率と比較すると、３．４倍増加した事になる。
従って、Ｃｕターゲットより大量に叩き出されたＣｕ粒子と二次電子によってプラズマを持続形成させる事が可能となる。
【００２４】
従って、スパッタリングガスの導入を停止する等により、真空槽内の圧力を低くし高真空雰囲気にしても銅プラズマが維持され、ターゲット表面のスパッタリングが継続して行われる。
【００２５】
このように、高真空雰囲気中で銅薄膜が形成されるので、銅薄膜中にスパッタリングガスが取り込まれることはなく、また、銅薄膜表面にはスパッタリングガスイオンが入射することもないので、高品質の銅薄膜を形成することが可能になる。
【００２６】
更に、高真空雰囲気中ではスパッタリング粒子の平均自由行程が大きいので、ターゲット・基板間距離を大きくすることが可能となる。実験によると、ターゲット・基板間距離を１５０ｍｍ以上に設定した場合(ＬＴＳ:Long Throw Sputtering：遠距離スパッタリング)には、高真空雰囲気中で基板表面に銅粒子が垂直に入射するようになるので、基板表面の微細孔(微細溝を含む。)に対する銅薄膜の充填率が向上する。
【００２７】
自己放電スパッタリングを達成する為には、ターゲットへの投入電力は大きい程よいが、ＬＴＳを用いたカソードでの今回の実験によると、直流(ＤＣ)電圧をターゲットに印加する場合、若干の(例えば１sccm程度の)Ａｒガス導入時で、プラズマへの投入電力の密度は７０W/cm2以上が望ましい。また、Ａｒガスを導入しないときは１１０W/cm2以上とするのが望ましい事が解っている。また、その条件によると、ＤＣ放電の２極スパッタリングのみで自己放電スパッタリングを構成できる。
【００２８】
更にまた、銅薄膜を形成する際に基板裏面に配置された電極に電圧を印加すると、基板表面に銅粒子が引き込まれ、微細孔の開口部に付着した銅薄膜が銅粒子でスパッタされるので、オーバーハングが形成されないようになる。
【００２９】
また、スパッタリングガスが存在しない微細孔内に銅粒子が引き込まれると、微細孔底部まで到達し、その部分の銅薄膜に入射すると、銅薄膜が銅粒子でスパッタされ、微細孔の側壁に再付着するので、サイドカバレッジが大きい埋込を行うことが可能になる。
【００３０】
基板表面へスパッタリングガスイオンを入射させないためには、銅の自己スパッタリングが開始され、真空槽内が高真空状態になった後、基板側への電圧の印加を開始するとよい。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明を図面を用いて説明する。
図１を参照し、符号１は、本発明の銅薄膜形成方法を実施できるスパッタ装置の一例であり、真空槽１０を有している。
真空槽１０の外部には、高周波の交流電源２４と、直流電源２５とが配置されており、また、図示しないガス導入系と真空排気系が配置されている。
【００３２】
真空槽１０には、ガス導入口２１と真空排気口２２とが設けられており、ガス導入口２１はガス導入系に接続され所望流量でスパッタリングガスを導入できるように構成されており、真空排気口２２は真空排気系に接続され、真空槽１０内を真空排気できるように構成されている。
【００３３】
また、この真空槽１０の内部底壁上には基板ホルダ１２が設けられており、天井側で基板ホルダ１２と対向する位置には、基板ホルダ１２と１５０ｍｍ以上の距離を隔ててカソード１３が設けられている。
【００３４】
カソード１３の、基板ホルダ１２と対向する面には、銅を主成分とするターゲット１６が設けられており、カソード１３の裏面には、磁石１５が配置されている。
【００３５】
カソード１３は、真空槽１０とは絶縁されると共に、直流電源２５が接続されており、真空槽１０をグラウンド電位に置いた状態で、カソード１３に所望の大きさの直流電圧を印加できるように構成されている。
【００３６】
基板ホルダ１２内には、真空槽１０とは絶縁した状態で、電極１７が設けられており、該電極１７は交流電源２４に接続され、高周波電圧を印加できるように構成されている。
【００３７】
このようなスパッタ装置１を用い、銅薄膜を形成する場合には、先ず、真空槽１０内を真空排気し、予め内部を高真空状態にしておく。
次いで、その高真空状態を維持しながら、処理対象物である基板２を真空槽１０内に搬入し、基板ホルダ１２上に載置する。
【００３８】
必要に応じて基板２を加熱した後、ガス導入口２１からスパッタリングガス(ここではアルゴンガス)を導入すると共に、真空排気速度を調節して真空槽１０内を昇圧させる。真空槽１０内が１０-1Ｐａ程度の圧力で安定したところで直流電源２５を起動し、カソード１３に負電圧を印加すると、ターゲット１６表面近傍にスパッタリングガスのプラズマが発生し、ターゲット１６がスパッタリングされる。
【００３９】
カソード１３裏面の磁石１５により、ターゲット１６表面近傍には磁界が形成されており、その磁界により、発生したプラズマは高密度に閉じ込められる。
【００４０】
スパッタリングガスのプラズマを形成する際、直流電源２５により、ターゲット１６に対し、プラズマの電力密度として７０Ｗ／ｃｍ2以上の電力を投入すると、ターゲット１６表面から多量の銅粒子(銅原子及び銅粒子)が放出され、ターゲット１６表面近傍で、銅のプラズマが発生する。
【００４１】
その状態では、プラズマ中には、スパッタリングガスプラズマと銅プラズマとが混在しているが、ターゲット１６のスパッタリングが開始された後(ターゲット１６への電力投入から５秒程度が経過した後)、スパッタリングガスの導入を停止すると共に、真空排気速度を大きくすると、真空槽１０内は１０-6Ｐａ程度の高真空状態になり、スパッタリングガスのプラズマは消滅する。
【００４２】
このとき、ターゲット１６へのプラズマの電力密度として投入電力を７０Ｗ／ｃｍ2以上にしておくと、ターゲット１６から多量の銅粒子が放出され、それが銅プラズマになり、銅イオンがターゲット１６表面に入射して再び銅粒子を放出させるので(銅の自己スパッタリング)、スパッタリングガスの導入を停止しても、ターゲット１６表面近傍には、プラズマ(銅プラズマ)が維持される。
【００４３】
その状態になると、銅プラズマは安定に維持され、ターゲット１６のスパッタリングが継続して行われ、放出された多量の銅粒子が基板２表面に到達し、銅薄膜が成長し始める。
【００４４】
銅の自己スパッタリングが開始され、真空槽１０内が高真空状態に達した後、交流電源２４を起動し、電極１７に数十Ｖの交流電圧(１３．５６ＭＨｚ)を印加すると、基板２が負電位にバイアスされるので、銅イオンが基板２に引きつけられ、大きなエネルギーで基板２の表面に入射する。
【００４５】
基板２表面に微細孔(及び微細溝)が形成されている場合、入射した銅イオンにより、微細孔の開口部に成長した銅薄膜が除去されるので、オーバーハングが生じず、高アスペクト比の微細孔内を銅薄膜で充填することができる。
【００４６】
図２(ａ)〜(ｄ)は、微細孔５１〜５４を銅薄膜で充填した場合の状態を示している。
同図(ａ)、(ｂ)では、従来技術の銅薄膜形成方法を用いており、同図(ａ)は基板・ターゲット間距離を近接させてスパッタリングを行った場合であり、同図(ｂ)は、基板・ターゲット間距離を１００ｍｍとし、圧力を０．１Ｐａとして通常よりも低圧にしてスパッタリングを行った場合である。
【００４７】
同図(ａ)から分かるように、基板・ターゲット間を近接させた場合、銅薄膜７１は、微細孔５１の開口部分でオーバーハング６１を形成してしまい、微細孔底部には銅薄膜は少量しか成長しなかった。
【００４８】
また、同図(ｂ)から分かるように、基板・ターゲット間距離を大きくした場合でも、銅薄膜７２により、微細孔５２の開口部上でオーバーハング６２が形成されてしまう。
【００４９】
他方、同図(ｃ)、(ｄ)では、本発明の銅薄膜形成方法が用いられており、同図(ｃ)は、上記実施例と同じ条件でスパッタリングを行った場合であり、同図(ｄ)は、基板２側に交流電圧を印加しない他は、上記実施例と同じ条件でターゲット１６のスパッタリングを行った場合である。
【００５０】
同図(ｃ)から分かるように、本発明によれば、微細孔５３の開口部分にオーバーハングは形成されない。これは、従来技術ではオーバーハングが成長してしまう部分６３の銅薄膜が、高エネルギーで入射した銅イオン粒子によって削られ、微細孔５３の底面側に再付着したためと考えられる。
【００５１】
また、微細孔５３側壁に形成された銅薄膜７３の厚みは厚く、サイドカバレッジが良好になっているが、これは、高真空雰囲気中で銅イオンの粒子が微細孔５３内に入射するため、銅イオンの粒子が微細孔の底面にまで到達し、それによって底面上に成長している薄膜６４がスパッタされ、その結果、銅粒子が側壁部分に再付着し、符号６５で示す側壁部分の薄膜が形成されたためと考えられる。
【００５２】
それに対し、従来技術の場合は、微細孔内にスパッタリングガスが存在するので、基板側に交流電圧を印加してもスパッタリングガスイオンは微細孔の底面には到達できず、サイドカバレッジは悪い。
【００５３】
他方、本発明の場合、同図(ｄ)に示すように、基板に交流電圧を印加しなくても、微細孔５４の開口部分にオーバーハングは形成されず、また、微細孔５４内に銅粒子が到達し、底面の銅薄膜が７４がスパッタされる結果、サイドカバレッジは従来技術よりも格段に向上している。
【００５４】
以上説明したように、本発明によれば、高真空雰囲気中で銅薄膜を形成することができ、その結果、スパッタリングガスが含まれず、膜質が良く、また、サイドカバレッジの良い銅薄膜を形成することが可能となっている。
【００５５】
次に、本発明方法によって銅薄膜を形成した場合の、微細孔内の埋込率と、基板・ターゲット間距離との関係を図３のグラフに示す。
縦軸の埋込率は、図４に示すように、銅薄膜８２の微細孔(微細溝)８１外での厚みをｄとした場合、微細孔(微細溝)８１底面の銅薄膜８２の中心付近の厚みｃ2と、側壁近傍の厚みｃ1、ｃ3とから、次式、
埋込率 ＝ (ｃ1＋ｃ2＋ｃ3)／ｄ
で求めた値である。この微細孔(微細溝)８１のアスペクト比ｂ／ａは１．５である。
【００５６】
従来技術では、真空槽１０内にスパッタリングガスを導入した状態でしかターゲットをスパッタリングできなかったため、基板・ターゲット間距離が大きすぎるとターゲット１６表面から飛び出した銅粒子がスパッタリングガスと衝突する確率が高くなり、基板２表面に入射する銅粒子の直線性が失われ、充填率が小さくなってしまう。スパッタリングガスプラズマを安定に維持するためには、スパッタリングガスをある程度の圧力まで導入する必要があるため、従来技術では、基板・ターゲット間距離は１００ｍｍが上限であった。
【００５７】
それに対し、本発明の銅薄膜形成方法によれば、非常に低い圧力(高真空状態)で安定にターゲットをスパッタリングすることができるので、基板・ターゲット間距離を１５０ｍｍ以上にすることが可能であり、その結果、基板表面に銅粒子が垂直に入射し、埋込率が高くなっている。
【００５８】
なお、上記ターゲット１６は、純銅のターゲットに限定されるものではなく、本発明は、銅を主成分とし、自己スパッタリングが行えるターゲットに広く用いることができる。
【００５９】
【発明の効果】
高真空状態で銅ターゲットをスパッタできるので、銅薄膜中にはスパッタリングガスは取り込まれず、また、銅薄膜がスパッタリングガスの入射でダメージを受けるようなことはない。
基板・ターゲット間距離を大きくできるので、微細孔の充填率を大きくすることができる。
また、微細孔内のサイドカバレッジを大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法に用いることができるスパッタ装置の一例
【図２】微細孔の充填状態を説明するための図
(ａ)：従来技術のうち、基板・ターゲット間距離が小さい場合
(ｂ)：従来技術のうち、基板・ターゲット間距離が大きい場合
(ｃ)：本発明のうち、基板に交流電圧を印加した場合
(ｄ)：本発明のうち、基板に交流電圧を印加しない場合
【図３】基板・ターゲット間距離と埋込率との関係を示すグラフ
【図４】充填率を説明するための図
【図５】従来技術のスパッタ装置の一例
【符号の説明】
２……基板(処理対象物)  １０……真空槽  １６……銅を主成分とするターゲット
【図１】
0004070871.tif 000002
【図２】
0004070871.tif 000003
【図３】
0004070871.tif 000004
【図４】
0004070871.tif 000005
【図５】
0004070871.tif 000006