(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜対象物の温度を室温以上３００℃以下にして窒素成分を含まないスパッタリングガスでチタンターゲットをスパッタリングし、前記成膜対象物の表面にチタン薄膜を形成した後、
前記チタン薄膜を形成した前記成膜対象物を前記チタン薄膜の形成温度よりも高温である４００℃以上５００℃以下の温度にして窒素成分を含むスパッタリングガスでチタンターゲットをスパッタリングし、前記チタン薄膜の表面に、窒化チタン薄膜を形成する薄膜形成方法。
【請求項２】
前記チタン薄膜が形成される前の前記成膜対象物を、昇温した静電吸着装置上に配置し、
前記チタン薄膜の形成時には、前記成膜対象物を２５０℃以上３００℃以下に加熱し、
前記窒化チタン薄膜の形成時には、前記チタン薄膜が形成された前記成膜対象物を４００℃以上４５０℃以下に加熱する請求項１記載の薄膜形成方法であって、
前記静電吸着装置の吸着力は、前記チタン薄膜形成時よりも、前記窒化チタン薄膜形成時の方を強くする薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜形成方法にかかり、特に、連続的に薄膜を形成する薄膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、シリコン(Ｓｉ)基板上に配線薄膜を形成する場合には、先ず、接触抵抗を低下させるチタン(Ｔｉ)薄膜を形成し、その表面にバリア層となる窒化チタン(ＴｉＮ)薄膜を形成し、更にその表面に濡れ性を高めるチタン薄膜を形成した後、アルミニウム(Ａｌ)薄膜を形成しており、窒化チタン薄膜が配線薄膜の主材料となるアルミニウム原子の拡散を防止する結果、シリコン基板内にスパイクが発生しないようになっている。
【０００３】
従って、この場合には、アルミニウム薄膜に加え、Ｔｉ層／ＴｉＮ層／Ｔｉ層の３層積層膜からなる薄膜がシリコン基板上に形成されることになる。
【０００４】
ところで、チタン薄膜と窒化チタン薄膜は、共にチタン金属をターゲットとし、チタン薄膜の場合はアルゴンガスを用いた通常のスパッタリング法で、窒化チタン薄膜の場合は窒素ガスを添加したアルゴンガスを用い、反応性スパッタリング法によって形成できるため、３層積層膜は、同一の真空槽内で、同一のチタンターゲットを用いて形成することが可能である。
【０００５】
しかしながら実際には、同一の真空槽内で、チタン薄膜と窒化チタン薄膜とを連続形成して得られた３層積層膜では、その表面に形成されたアルミニウム薄膜は、反射率が低く、エレクロトンマイグレーション耐性やストレスマイグレーション耐性が低くなってしまう。
【０００６】
そこで従来技術では、チタン薄膜を形成する真空槽と、窒化チタン薄膜を形成する真空槽とを別々に用意し、３層積層膜の各層の薄膜を形成する毎に、成膜対象物を真空槽間で搬送していた。
【０００７】
しかしながら上記のように、真空槽を２個用意し、チタン薄膜と窒化チタン薄膜とを別々に形成すると、装置コストが上昇し、装置管理も面倒である。
また、装置が大型化する結果、広い設置面積が必要になってしまう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した従来技術の不都合を解消するために創作されたものであり、その目的は、好ましい形成温度が異なる薄膜を、同じ真空槽内で連続して形成できる技術を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
従来より、配線薄膜の最上層を構成するアルミニウム薄膜の膜質は、下層の３層積層膜の膜質に強く影響されることが知られているが、本発明者等の検討によると、アルミニウム薄膜は、その表面が(１１１)面のときに平坦性、エレクトロマイグレーション(ＥＭ)耐性、及びストレスマイグレーション耐性に優れていることが判明した。
【００１０】
そして、(１１１)配向のアルミニウム薄膜を得るためには、下層の窒化チタン薄膜を(１１１)配向にすることが必要であり、更に、(１１１)配向の窒化チタン薄膜を得るためには、その下層のチタン薄膜(成膜対象物であるシリコン基板と接するチタン薄膜)を(００２)配向にすることが必要であることが分かった。
【００１１】
配向性と薄膜形成温度の関係を調べるため、成膜対象物の温度を変え、チタン薄膜を形成した場合と、その温度でチタン薄膜と窒化チタン薄膜を連続形成した場合の、各薄膜の配向性と形成温度の関係を測定した。その結果を図４のグラフに示す。
【００１２】
図４のグラフの横軸は、成膜対象物の温度であり、縦軸は、Ｘ線回折におけるチタン薄膜の(０１１)配向と(００２)配向のピーク強度、及び、窒化チタン薄膜の(２００)配向と(１１１)配向のピーク強度(相対値)である。
【００１３】
この図４から分かるように、チタン薄膜中の(００２)配向の強度は、形成温度が温度が上昇すると減少し、逆に、(０１１)配向の強度が増加してしまうことが分かる。
その結果、チタン薄膜表面に形成される窒化チタン薄膜では、温度が上昇するに従って(１１１)配向の強度が減少してしまうと考えられる。
従って、窒化チタン薄膜の(１１１)配向を強くするためには、成膜対象物を低温にした状態で、チタン薄膜を形成すればよいことになる。
【００１４】
他方、図５に示すように、窒化チタン薄膜に内在する応力は、低温で大きい圧縮応力を持ち、４００℃〜５００℃付近で応力がゼロになり、それ以上の温度では、伸張応力が大きくなることが判明している。
【００１５】
従って、窒化チタン薄膜を２００℃〜３００℃程度の低温で形成すると、圧縮応力が大きくなり、その結果、窒化チタン薄膜が剥離しやすくなり、表面に形成されるアルミニウム薄膜もストレスマイグレーションを起こしやすくなってしまう。
【００１６】
以上の結果によると、(１１１)配向の強度が強い窒化チタン薄膜を得るためには、成膜対象物は比較的低温(約３００℃)にした状態でチタン薄膜を形成するのが好ましいのに、逆に、低ストレスの窒化チタン薄膜を得るためには、成膜対象物を比較的高温(約４５０℃)に加熱した状態で形成するのが好ましいことになる。
【００１７】
一般に、スパッタリングを行う場合には、成膜対象物を、熱容量の大きい静電吸着手段の表面に静電吸着させ、静電吸着手段に内蔵されたヒータを発熱させ、成膜対象物を昇温させている。そのため、ヒータへの通電量を変えても、成膜対象物の温度は変化しずらく、同一の真空槽内で連続形成する場合、チタン薄膜の形成温度と窒化チタン薄膜の形成温度とが同程度の温度になってしまう。
【００１８】
従って、従来技術のように、別々に用意した真空槽内にそれぞれ静電吸着手段を配置し、予め、それらの静電吸着手段を形成すべき薄膜に対応した形成温度に昇温させておく場合には、先ず、低温で(００２)配向強度の高いチタン薄膜が得られ、次に、そのチタン薄膜表面に、高温で低ストレスの窒化チタン薄膜が形成されるから、その窒化チタン薄膜の(１１１)配向強度は強くなる結果、最上層のアルミニウム薄膜の膜質が向上することになる。
【００１９】
他方、同じ真空槽内でチタン薄膜と窒化チタン薄膜を形成する場合でも、成膜対象物の温度を制御し、低温形成によって(００２)配向のチタン薄膜を得て、高温形成によって低ストレスで(１１１)配向強度の強い窒化チタン薄膜を得れば、高品質のアルミニム薄膜を形成できることになる。
【００２０】
本発明は上記知見に基づいて創作されたものであり、好ましい形成温度が異なる薄膜を成膜対象物上に形成する場合に、成膜対象物を同一の静電吸着手段上に載置し、静電吸着状態を変化させて成膜対象物の温度を制御する薄膜形成方法である。
【００２１】
具体的には、請求項１記載の本発明は、成膜対象物の温度を室温以上３００℃以下にして窒素成分を含まないスパッタリングガスでチタンターゲットをスパッタリングし、前記成膜対象物の表面にチタン薄膜を形成した後、前記チタン薄膜を形成した前記成膜対象物を前記チタン薄膜の形成温度よりも高温である４００℃以上５００℃以下の温度にして窒素成分を含むスパッタリングガスでチタンターゲットをスパッタリングし、前記チタン薄膜の表面に、窒化チタン薄膜を形成する薄膜形成方法である。
請求項２記載の発明は、前記チタン薄膜が形成される前の前記成膜対象物を、昇温した静電吸着装置上に配置し、前記チタン薄膜の形成時には、前記成膜対象物を２５０℃以上３００℃以下に加熱し、前記窒化チタン薄膜の形成時には、前記チタン薄膜が形成された前記成膜対象物を４００℃以上４５０℃以下に加熱する請求項１記載の薄膜形成方法であって、前記静電吸着装置の吸着力は、前記チタン薄膜形成時よりも、前記窒化チタン薄膜形成時の方を強くする薄膜形成方法である。
【００２２】
本発明は上述したように構成されており、同一の静電吸着手段上に成膜対象物を載置し、好ましい形成温度が比較的高温の薄膜と比較的低温の薄膜とを連続的に形成する薄膜形成方法であり、静電吸着手段を、予め比較的高温の形成温度に昇温させ、静電吸着力を異ならせて薄膜形成を行っている。
【００２３】
静電吸着力を弱くした状態では、微視的にみれば、成膜対象物は静電吸着手段に点接触した状態で載置されている。このとき、真空槽内では、熱の伝達媒体である気体が希薄であることから、点接触していない隙間部分では、気体が介在する熱伝導が極めて少ない。従って、成膜対象物と静電吸着手段の間の熱伝達は非常に小さいものとなる。
【００２４】
他方、静電吸着力が強い状態では、成膜対象物と静電吸着手段とは密着し、互いに面接触する状態となる。従って、静電吸着手段の表面と成膜対象物裏面の間の熱伝導率が高くなり、熱流は大きなものとなる。
【００２５】
このように、静電吸着力が弱い状態では、成膜対象物は、点接触部分からの熱伝導や輻射によってしか加熱されない。一方、基板表面からは、ターゲットや防着板等の低温物体へ向けての放射冷却が生じるため、成膜対象物の温度は、静電吸着手段の温度よりも低くなる。他方、静電吸着力が強い状態では、面接触部分の熱伝導によって、成膜対象物は静電吸着手段と略同じ温度まで加熱される。
【００２６】
そのため、成膜対象物は、静電吸着力が弱い状態では、比較的低温の形成温度と略等しくなり、静電吸着力が強い状態では、比較的高温の形成温度と略等しくなり、その結果、好ましい形成温度が異なる薄膜を高品質に形成することが可能となっている。
形成温度が比較的低温の薄膜を形成する場合、静電吸着を行わない場合が、成膜対象物を最も低温にできる。
【００２７】
このように、静電吸着力の強弱を切り換えることによって、成膜対象物の温度を静電吸着手段の温度やヒータの発熱量とは別個に急変させ、同一の静電吸着手段上に成膜対象物を載置したまま、異なる形成温度の薄膜を形成できる。
【００２８】
このような静電吸着手段が配置された真空槽内にチタンターゲットを設け、スパッタリングする場合、アルゴンガスをスパッタリングガスに用いると、チタン薄膜が形成でき、窒素成分が添加されたアルゴンガスをスパッタリングガスに用い、反応性スパッタリングを行うと、窒化チタン薄膜を形成できる。
【００２９】
上述したように、チタン薄膜と窒化チタン薄膜とを比べた場合、チタン薄膜の方が形成温度が比較的低温(約３００℃)であり、窒化チタン薄膜の方が形成温度が比較的高温(約４５０℃)である。
【００３０】
静電吸着手段を３００℃以上の高温にした場合、強い静電吸着力で密着させたときの成膜対象物の温度と、静電吸着力を弱めたときの温度とでは、温度差を１００℃〜１５０℃程度にすることができる。
【００３１】
従って、静電吸着手段を、予め、窒化チタン薄膜の好ましい形成温度まで加熱しておき、チタン薄膜を形成するときは、静電吸着力を弱くし、成膜対象物を比較的低温にした状態で、アルゴンガスでチタンターゲットをスパッタリングすると、成膜対象物表面に、(００２)配向のチタン薄膜を得ることができる。
この場合、静電吸着手段の温度によっては、静電吸着装置を動作させず、静電吸着しないでおくこと、成膜対象物を低温にできる。
【００３２】
他方、窒化チタン薄膜を形成するときは静電吸着力を強くし、成膜対象物を比較的高温にし、窒素成分(窒素ガス等)が添加されたアルゴンガスでチタンターゲットを反応性スパッタリングすると、(００２)配向のチタン薄膜表面に、ストレスが小さい(１１１)配向が強い窒化チタン薄膜を得ることができる。
【００３３】
そして、その窒化チタン薄膜上に形成するアルミニウム薄膜は(１１１)配向となるので、その結果、配線薄膜のエレクトロマイグレーション耐性等が高くなり、信頼性が向上する。
【００３４】
また、アルミニウム薄膜の平坦性が向上する結果、フォトリソグラフィ時の露光光の乱反射が少なくなり、微細加工が容易となる。
【００３５】
アルミニウム薄膜を形成する前に、(１１１)配向の窒化チタン薄膜表面にチタン薄膜を形成しておくと、濡れ性が向上し、アルミニウム薄膜と窒化チタン薄膜との付着力が増大する。この場合、窒化チタン薄膜表面のチタン薄膜の膜厚は薄いので、アルミニウムニウム薄膜の配向性に影響を与えないことは実験で確認されている。
【００３６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
本発明に用いられるスパッタ装置の一例を、図１の符号１０に示す。このスパッタ装置１０は、ロードロック室３８と、搬送室４０と、真空槽１２とを備えている。
【００３７】
真空槽１２の天井には、カソード電極１６が配置され、底壁上には支持台１８が配置されている。
カソード電極１６表面には、チタンターゲット１５が配置されており、支持台１８上には、静電吸着手段２０が設けられている。
【００３８】
静電吸着手段２０内には、抵抗加熱ヒータ２４が内蔵されており、図示しない真空排気系によって真空槽１２内を真空排気し、次いで、抵抗加熱ヒータに通電し、予め４５０℃に昇温させておく。
【００３９】
成膜対象である基板をロードロック室３８内に装着し、内部を真空排気した後、搬送室４０内に配置された基板搬送ロボットによって真空槽１２内に搬送し、静電吸着手段２０上に載置する。このとき、静電吸着手段２０は動作させず、基板３０は静電吸着しないでおく。
【００４０】
その状態の基板３０は、チタンターゲット１５と平行に対向しており、真空槽１２と搬送室４０との間を遮蔽し、真空槽１２内を高真空状態にした後、ガス導入系４４によって真空槽１２内にアルゴンガス(スパッタリングガス)を導入する。
【００４１】
カソード電極１６裏面にはマグネトロン磁石１４が配置されており、真空槽１２内が所定圧力で安定した後、カソード電極１６に電圧を印加すると、真空槽１２内に漏洩する磁束によって、チタンターゲット１５の表面近傍にアルゴンガスの高密度プラズマが発生し、チタンターゲット１５のスパッタリングが行われる。
【００４２】
このときの基板３０は、静電吸着手段２０に静電吸着されていないため、その温度は、高々約３００℃程度であり、チタン薄膜の好ましい形成温度になっている。
【００４３】
その条件で所定時間のスパッタリングを行った後、電圧印加とアルゴンガス導入を停止する。
この状態の基板３０を、図２(ａ)の符号３０1に示す。
【００４４】
基板３０1は、シリコン単結晶層５０と、その表面に形成されたシリコン酸化膜５２と、シリコン酸化膜５２に形成された高アスペクト比の微細孔５３とを有しており、チタンターゲット１５のスパッタリングにより、シリコン酸化膜５２表面、及び微細孔５３底面のシリコン単結晶層５０表面に、膜厚１００Å〜３００Åのチタン薄膜５４が形成されている。
【００４５】
次に、静電吸着手段２０を動作させ、基板３０1を静電吸着手段２０に密着させ、加熱する。真空槽１２内に、窒素ガスが５０％〜１００％添加されたアルゴンガスをスパッタリングガスとして導入し、真空槽１２内が所定圧力で安定すると共に基板３０1が４５０℃に昇温したところで、カソード電極１６に電圧を印加し、チタンターゲット１５の反応性スパッタリングを行う。
【００４６】
所定時間の反応性スパッタリングを行った後、電圧印加とスパッタリングガスの導入を停止すると、図２(ｂ)の符号３０2で示すように、チタン薄膜５４表面に、膜厚７００Åの窒化チタン薄膜５６が形成された基板が得られる。
【００４７】
静電吸着装置２０の動作を停止させ、静電吸着力をゼロにすると共に、真空槽１２内を一旦高真空状態にし、基板を搬入して大気中に取り出す。大気中でバリア性を高める窒化処理を行った後、再びチタンターゲットのあるチャンバー内に基板を搬入する。次いで、スパッタリングガスとしてアルゴンガスを導入する。
【００４８】
基板３０の温度は、室温〜３００℃程度までとし、また、真空槽１２内が所定圧力で安定したところで、カソード電極１６に電圧を印加し、チタンターゲット１５のスパッタリングを行う。
【００４９】
所定時間が経過した後、電圧印加とスパッタリングガス導入を停止すると、図２(ｃ)の符号３０3で示すように、窒化チタン薄膜５６表面に、膜厚３００Åのチタン薄膜５６が形成された基板が得られる。
【００５０】
この基板３０3を、図示しない他の真空槽に搬送し、アルミニウムターゲットのスパッタリングを行うと、図２(ｄ)の符号３０4で示すように、表層のチタン薄膜５８表面に膜厚７０００Åのアルミニウム薄膜６０が形成された基板が得られる。この基板３０4では、微細孔５３内はアルミニウム薄膜６０で充填されており、シリコン層５０とアルミニウム薄膜６０とが、３層積層膜を介して電気的に接続される。
【００５１】
基板３０4をスパッタリング装置１０から取り出した後、Ｘ線回折による分析を行ったところ、アルミニウム薄膜６０の表面は(１１１)配向であった。
【００５２】
このように、本発明によれば、静電吸着手段２０を一定温度に維持したまま、成膜対象物の温度を変えることができるので、同じ真空槽内で好ましい形成温度が異なる薄膜を形成できる。従って、装置の設置面積が小さくて済む。
また、静電吸着手段２０を温度変化させなくても、成膜対象物の温度を変えられるので、昇温や冷却に要する時間が不要となり、薄膜形成時間が早くなる。
【００５３】
次に、静電吸着手段２０を種々の温度に設定し、チタン薄膜と窒化チタン薄膜とが積層された薄膜を形成した。形成された積層膜表面の窒化チタン薄膜の配向性と静電吸着手段２０の設定温度との関係を、図３のグラフに示す。
【００５４】
図３中、実線のグラフが本発明方法を用いた場合であり、上記のように、チタン薄膜を形成する場合は静電吸着せず、窒化チタン薄膜を形成する場合に強く静電吸着した。
【００５５】
点線のグラフは、窒化チタン薄膜を形成するときだけでなく、チタン薄膜を形成するときも成膜対象物を強く静電吸着した場合である。
図３のグラフから明らかように、実線で示した本発明の場合は、静電吸着手段が３００℃〜５００℃の広い範囲で(１１１)配向の窒化チタン薄膜が得られている。特に、静電吸着手段を３００℃〜５００℃、望ましくは４００℃以上５００℃以下にすると、従来技術では得られなかったような、強い(１１１)配向の窒化チタン薄膜を得ることができる。
【００５６】
それに対し、従来技術の場合には、前述したように、温度上昇によって下地のチタン薄膜の(００２)配向強度が減少する結果、窒化チタン薄膜の(１１１)配向度が減少している。
【００５７】
以上は、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｔｉの３層積層膜を形成する場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。連続形成の過程で成膜対象物の温度(薄膜形成温度)を異ならせたい場合に広く利用可能である。また、スパッタリング方法ばかりでなく、ＣＶＤ方法等、静電吸着装置を用いる種々の薄膜形成方法について適用できる。
【００５８】
更にまた、以上は、好ましい形成温度が比較的低温の薄膜については、静電吸着しないで形成したが、静電吸着しない代わりに、静電吸着手段への供給電圧を小さくする等により、静電吸着力をごく弱くしてもよい。
【００５９】
また、成膜に先立ち、ベーキングやスパッタエッチング等の前処理により高温となって基板が送られて来る場所には、ロボットコア室付属のクリーニングステージ等で冷却するプロセスを入れてもよい。
【００６０】
なお、窒化チタン薄膜を形成する際に、窒素ガスに替え、アンモニア等の窒素成分を含むガスを添加してもよい。
【００６１】
更に、Ｔｉ／ＴｉＮ形成後に、窒化チタン薄膜のバリア性を強化するプロセス、例えば、プラズマ酸窒化処理、プラズマ窒化処理、ファーネスによる酸窒化・窒化アニール等を入れてもよい。
【００６２】
また、３層目のチタン薄膜は、窒化チタン薄膜で代用することも可能である。４層目のアルミニウム薄膜は、低温で約４０００Å成膜後、高温で約３０００Å成膜すると埋込特性が向上する。
【００６３】
【発明の効果】
同一の真空槽内で形成温度が異なる薄膜を連続形成できる。
スパッタ装置が小型化し、低コストになる。
また、基板搬送回数を省略できるので、生産効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いることができるスパッタ装置の一例
【図２】(ａ)〜(ｄ)：本発明の工程を説明するための成膜対象物の断面図
【図３】窒化チタン薄膜の配向と形成温度の関係を示すグラフ
【図４】チタン薄膜と窒化チタン薄膜の配向性と静電吸着手段の温度との関係を示すＸ線ピーク強度比のグラフ
【図５】窒化チタン薄膜の内部応力と形成温度の関係を示すグラフ
【符号の説明】
１０……スパッタ装置    １２……真空槽    １５……チタンターゲット    ２０……静電吸着手段    ３０、３０1〜３０4……成膜対象物    ５４、５８……チタン薄膜    ５６……窒化チタン薄膜  ６０……アルミニウム薄膜
【図１】
0004387470.tif 000002
【図２】
0004387470.tif 000003
【図３】
0004387470.tif 000004
【図４】
0004387470.tif 000005
【図５】
0004387470.tif 000006