(57)【要約】      （修正有）【課題】被処理体の表面の凹部の開口部近傍にオーバハング部が形成されることを防止し、この結果、ピンチオフやボイドを発生させることなく凹部内を埋め込むことが可能な薄膜の形成方法を提供する。【解決手段】高融点金属よりなる金属ターゲット９６をスパッタしつつ発生した金属粒子をプラズマでイオン化し、載置台６０上に載置された表面に凹部を有する被処理体２の表面に前記イオン化された金属粒子をバイアス電力により引き込んで高融点金属を含む薄膜を堆積する成膜工程を有する薄膜の形成方法において、被処理体を、堆積されつつある薄膜がフローを生ずるようなフロー温度に加熱した状態に維持するようにする。これにより、表面拡散を生ぜしめて被処理体の表面の凹部の開口部近傍にオーバハング部が形成されることを防止する。【選択図】図２
2009182140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高融点金属よりなる金属ターゲットをスパッタしつつ発生した金属粒子をプラズマでイオン化し、載置台上に載置された表面に凹部を有する被処理体の表面に前記イオン化された金属粒子をバイアス電力により引き込んで高融点金属を含む薄膜を堆積する成膜工程を有する薄膜の形成方法において、
前記被処理体を、前記堆積されつつある薄膜がフローを生ずるようなフロー温度に加熱した状態に維持するようにしたことを特徴とする薄膜の形成方法。
【請求項２】
前記被処理体は、前記成膜工程が行われてる間において加熱されていることを特徴とする請求項１記載の薄膜の形成方法。
【請求項３】
前記フロー温度は、前記被処理体の下層の耐熱温度以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の薄膜の形成方法。
【請求項４】
前記バイアス電力は、５０〜１６００ワットの範囲内に設定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の薄膜の形成方法。
【請求項５】
前記薄膜はＴｉ膜であり、前記フロー温度は３００℃以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の薄膜の形成方法。
【請求項６】
前記被処理体には、前記成膜工程を行う直前に前記被処理体を前記フロー温度に予備加熱する予備加熱工程が施されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の薄膜の形成方法。
【請求項７】
前記予備加熱工程は、プラズマ成膜装置とは異なる予備加熱装置で行われることを特徴とする請求項６記載の薄膜の形成方法。
【請求項８】
真空引き可能になされた処理容器と、
被処理体を載置するための載置台と、
前記被処理体を加熱する加熱手段と、
前記処理容器内へ所定のガスを導入するガス導入手段と、
前記処理容器内へプラズマを発生させるためのプラズマ発生源と、
高融点金属よりなる金属ターゲットと、
前記金属ターゲットへ前記ガスのイオンを引きつけるための電圧を供給するターゲット用の電源と、
前記載置台に対してバイアス電力を供給するバイアス電源と、
装置全体の動作を制御して請求項１乃至６のいずれか一項に記載の成膜方法を実行させる装置制御部とを備えたことを特徴とするプラズマ成膜装置。
【請求項９】
真空引き可能になされた処理容器と、
被処理体を載置するための載置台と、
前記被処理体を加熱する加熱手段と、
前記処理容器内へ所定のガスを導入するガス導入手段と、
前記処理容器内へプラズマを発生させるためのプラズマ発生源と、
高融点金属よりなる金属ターゲットと、
前記金属ターゲットへ前記ガスのイオンを引きつけるための電圧を供給するターゲット用の電源と、
前記載置台に対してバイアス電力を供給するバイアス電源と、
装置全体の動作を制御する装置制御部とを備えたプラズマ成膜装置を用いて前記被処理体に薄膜を堆積するに際して、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の成膜方法を実行するように制御するコンピュータに読み取り可能なプログラムを記憶する記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜の形成方法、プラズマ成膜装置及び記憶媒体に係り、特に半導体ウエハ等の被処理体に形成されている凹部を埋め込む時等に形成するバリヤ層等を形成する薄膜の形成方法、プラズマ成膜装置及び記憶媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体デバイスを製造するには、半導体ウエハに成膜処理やパターンエッチング処理等の各種の処理を繰り返し行って所望のデバイスを製造するが、半導体デバイスの更なる高集積化及び高微細化の要請より、線幅やホール径が益々微細化されている。そして、配線材料や埋め込み材料としては、従来は主としてアルミニウム合金が用いられていたが、最近は線幅やホール径が益々微細化されて、且つ動作速度の高速化が望まれていることからタングステン（Ｗ）や銅（Ｃｕ）等も用いられる傾向にある。
【０００３】
そして、上記Ａｌ、Ｗ、Ｃｕ等の金属材料を配線材料やコンタクトのためのホールの埋め込み材料として用いる場合には、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２ ）等の絶縁材料と上記金属材料との間で例えばシリコンの拡散が生ずることを防止したり、膜の密着性を向上させる目的で、或いはホールの底部でコンタクトされる下層の電極や配線層等の導電層との間の密着性等を向上する目的で、上記絶縁層や下層の導電層との間の境界部分にバリヤ層を介在させることが行われている。そして、上記バリヤ層としてはＴａ膜、ＴａＮ膜、Ｔｉ膜、ＴｉＮ膜等が広く知られている（特許文献１及び２）。この点について図８を参照して説明する。
【０００４】
図８は半導体ウエハの表面の凹部の埋め込み状態を示す断面図である。図８に示すように、被処理体として例えばシリコン基板等よりなる半導体ウエハ２の表面には例えば配線層等となる導電層４が形成されており、この導電層４を覆うようにして半導体ウエハ２の表面全体に例えばＳｉＯ２ 膜等よりなる絶縁層６が所定の厚さで形成されている。上記導電層４がトランジスタやコンデンサ等の電極等に対応する場合もある。
【０００５】
そして、上記絶縁層６には、上記導電層４に対して電気的コンタクトを図るためのスルーホールやビアホール等のコンタクト用の凹部８が形成されている。尚、上記凹部８として細長いトレンチ（溝）を形成する場合もある。そして、この凹部８内の底面及び側面を含めた半導体ウエハ２の表面全体に、すなわち絶縁層６の上面全体に上述したような機能を有するバリヤ層１０を所望の厚さで形成し、更に、このバリヤ層１０上に配線材料や埋め込み材料として導電性の金属を堆積させて導電層１２を形成し、上記凹部８内を埋め込むようにしている。
【０００６】
ここで上記バリヤ層１０としては種々存在し、例えばＴｉ膜及びＴｉＮ膜を順次積層してなる２層構造のバリヤ層や、ＴａＮ膜及びＴａ膜を順次積層してなる２層構造のバリヤ層や、更には、Ｔｉ膜、ＴｉＮ膜、Ｔａ膜及びＴａＮ膜の内の１層のみを用いたバリヤ層も存在し、いずれにしても、このバリヤ層１０の上層に形成される導電層１２の種類によってバリヤ層１０の材質及び構造が決定される。
【０００７】
そして、最近にあっては、上記したバリヤ層１０の材質の中で、特にＴｉ膜よりなる、或いはＴｉ膜を含むバリヤ層１０が注目されている。その理由は、Ｔｉ膜よりなるバリヤ層やＴｉ膜を含むバリヤ層は金属等の拡散を特に抑制でき、電気抵抗も非常に小さく、更には体積膨張率も小さく、配線材料との密着性も良好である等の利点を有するからである。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−１４２４２５号公報
【特許文献２】特開２００６−１４８０７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記Ｔｉ膜は一般的にはプラズマ成膜装置を用いたプラズマスパッタ法により成膜される。図９は表面に凹部を有する半導体ウエハの表面にＴｉ膜が形成される時の状態を示す断面図である。周知のように、プラズマスパッタ法は指向性が大きいために、図９に示すように、ウエハの上面やホール等の凹部８内の底面等のようにウエハ表面に対する法線１４に直交する面には比較的厚くＴｉ膜が成膜されるのに対して、凹部８内の側面などのように上記法線１４に平行する面には比較的薄くしかＴｉ膜が成膜されない。
【００１０】
そのため、上記凹部８内の側壁のステップカバレジを確保するために、上記Ｔｉ膜１６を成膜した直後には、例えばＡｒガスを用いたスパッタリングを行い（これを「リスパッタリング」と称す）、厚く堆積した部分のＴｉ膜をスパッタリングにより削り取って、これを堆積膜厚の薄い上記凹部８内の側面等に再付着させて全体の膜厚ができるだけ均一になるようにしている。
【００１１】
しかしながら、上記Ｔｉ膜１６は、スパッタリングにより比較的削り取られ易い物質であり、特に、図９に示すように、凹部８の肩部８Ａ、すなわち凹部８の開口部のコーナ部は非常に削り取られ易い。
【００１２】
このため、この肩部８Ａでスパッタリングにより削り取られたＴｉ金属粒子１８Ａは対向する側の面に再付着して堆積する傾向となり、この結果、図９中で一点鎖線で示すように凹部８の開口部近傍に中央部側へ凸状に突出したオーバハング部２０が形成されてしまっていた。このため、この凹部８の開口が閉じてピンチオフが発生したり、この後工程で上記凹部８内を導電層で埋め込む際に、上記オーバハング部２０が障害となって十分に埋め込みができずに、凹部８内にボイド（空洞）が発生する、といった問題があった。
【００１３】
上記問題は、線幅やホール径が１００ｎｍよりも大きくて設計基準が緩かった従来の場合には、Ｔｉ膜の膜厚を厚くする等の対応により防ぐことができたが、より微細化傾向が進んで、線幅やホール径として１００ｎｍ以下の設計基準が要求される現在にあっては、上記問題点の早期解決が求められている。
【００１４】
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、被処理体の表面の凹部の開口部近傍にオーバハング部が形成されることを防止し、この結果、ピンチオフやボイドを発生させることなく凹部内を埋め込むことが可能な薄膜の形成方法、プラズマ成膜装置及び記憶媒体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者等は、バリヤ層の形成方法について鋭意研究した結果、Ｔｉ膜のプラズマスパッタリングによる成膜に際して、半導体ウエハの温度を堆積しつつあるＴｉ膜が流れ出すフロー温度に維持することによりＴｉ膜の表面拡散を生ぜしめ、これによりオーバハング部の発生を抑制することができる、という知見を得ることにより、本発明に至ったものである。
【００１６】
請求項１に係る発明は、高融点金属よりなる金属ターゲットをスパッタしつつ発生した金属粒子をプラズマでイオン化し、載置台上に載置された表面に凹部を有する被処理体の表面に前記イオン化された金属粒子をバイアス電力により引き込んで高融点金属を含む薄膜を堆積する成膜工程を有する薄膜の形成方法において、前記被処理体を、前記堆積されつつある薄膜がフローを生ずるようなフロー温度に加熱した状態に維持するようにしたことを特徴とする薄膜の形成方法である。
【００１７】
このように、表面に凹部を有する被処理体の表面に薄膜を堆積して形成するに際して、被処理体を、堆積されつつある薄膜がフローを生ずるようなフロー温度に加熱した状態に維持するようにしたので、堆積しつつある薄膜が流れ出して表面拡散が生じ、これにより、被処理体の表面の凹部の開口部近傍にオーバハング部が形成されることを防止し、この結果、ピンチオフやボイドを発生させることなく凹部内を埋め込むことができる。
【００１８】
この場合、例えば請求項２に記載したように、前記被処理体は、前記成膜工程が行われてる間において加熱されている。
また、例えば請求項３に記載したように、前記フロー温度は、前記被処理体の下層の耐熱温度以下である。
また、例えば請求項４に記載したように、前記バイアス電力は、５０〜１６００ワットの範囲内に設定されている。
【００１９】
また、例えば請求項５に記載したように、前記薄膜はＴｉ膜であり、前記フロー温度は３００℃以上である。
【００２０】
また、例えば請求項６に記載したように、前記被処理体には、前記成膜工程を行う直前に前記被処理体を前記フロー温度に予備加熱する予備加熱工程が施される。
また、例えば請求項７に記載したように、前記予備加熱工程は、プラズマ成膜装置とは異なる予備加熱装置で行われる。
【００２１】
請求項８に係る発明は、真空引き可能になされた処理容器と、被処理体を載置するための載置台と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、前記処理容器内へ所定のガスを導入するガス導入手段と、前記処理容器内へプラズマを発生させるためのプラズマ発生源と、高融点金属よりなる金属ターゲットと、前記金属ターゲットへ前記ガスのイオンを引きつけるための電圧を供給するターゲット用の電源と、前記載置台に対してバイアス電力を供給するバイアス電源と、装置全体の動作を制御して請求項１乃至６のいずれか一項に記載の成膜方法を実行させる装置制御部とを備えたことを特徴とするプラズマ成膜装置である。
【００２２】
請求項９に係る発明は、真空引き可能になされた処理容器と、被処理体を載置するための載置台と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、前記処理容器内へ所定のガスを導入するガス導入手段と、前記処理容器内へプラズマを発生させるためのプラズマ発生源と、高融点金属よりなる金属ターゲットと、前記金属ターゲットへ前記ガスのイオンを引きつけるための電圧を供給するターゲット用の電源と、前記載置台に対してバイアス電力を供給するバイアス電源と、装置全体の動作を制御する装置制御部とを備えたプラズマ成膜装置を用いて前記被処理体に薄膜を堆積するに際して、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の成膜方法を実行するように制御するコンピュータに読み取り可能なプログラムを記憶する記憶媒体である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る薄膜の形成方法、プラズマ成膜装置及び記憶媒体によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
表面に凹部を有する被処理体の表面に薄膜を堆積して形成するに際して、被処理体を、堆積されつつある薄膜がフローを生ずるようなフロー温度に加熱した状態に維持するようにしたので、堆積しつつある薄膜が流れ出して表面拡散が生じ、これにより、被処理体の表面の凹部の開口部近傍にオーバハング部が形成されることを防止し、この結果、ピンチオフやボイドを発生させることなく凹部内を埋め込むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、本発明に係る薄膜の形成方法、プラズマ成膜装置及び記憶媒体の一実施態様を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明のプラズマ成膜装置を有する処理システムの一例を示す模式図、図２は本発明に係るプラズマ成膜装置の一例を示す断面図である。ここではプラズマ成膜装置としてＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）型プラズマスパッタ装置を例にとって説明する。
【００２５】
まず、本発明に係るプラズマ成膜装置を有する処理システム２２の一例について説明する。図１に示すように、この処理システム２２は、真空排気可能になされた多角形状、ここでは七角形状になされた共通搬送室２４を有しており、この七角形状の共通搬送室２４の各辺に相当する部分に気密に開閉されるゲートバルブＧが設けられる。そして、この上記各辺の一辺に上記ゲートバルブＧを介して必要に応じて使用される予備加熱装置２６が接続され、また他の一辺には本発明に係るプラズマ成膜装置２８が接続される。上記予備加熱装置２６では、被処理体である半導体ウエハ２を所定の温度に加熱できるようになっている。
【００２６】
また、この共通搬送室２４内には、屈伸及び旋回可能になされた第１の搬送アーム３０が設置されており、各ゲートバルブＧの方向に対してウエハ２を搬送できるようになっている。また上記各ゲートバルブＧの内の隣り合う２つの辺には、ゲートバルブＧを介して真空引き及び大気圧復帰の繰り返しが可能になされたロードロック室３２がそれぞれ接続されている。
【００２７】
そして、これらのロードロック室３２には、それぞれゲートバルブＧを介して縦長のローダ室３４が接続されている。そして、このローダ室３４の一側には、Ｉ／Ｏポート３６が設けられ、このＩ／Ｏポート３６に、ウエハ２を複数枚収容したカセット容器等のウエハ収納容器３８を設置できるようになっている。また、上記ローダ室３４の一端側には、ウエハ２の位置決めを行うオリエンタ４０が設けられている。
【００２８】
更に、このローダ室３４内には、その長手方向へ移動可能になされ、且つ旋回及び屈伸可能になされた第２の搬送アーム４２が設けられており、上記ウエハ２の受け渡しを行うようになっている。
【００２９】
このような処理システム２２では、上記Ｉ／Ｏポート３６に設置したウエハ収納容器３８からは第２の搬送アーム４２を用いてウエハ２を取り出し、このウエハ２をオリエンタ４０にて位置決めした後に、上記いずれか一方のロードロック室３２内へ収容する。そして、このロードロック室３２内を真空引きした後に、このウエハ２を第１の搬送アーム３０で取りに行って共通搬送室２４内に取り込む。そして、取り込んだウエハ２を、予備加熱装置２６やプラズマ成膜装置２８へ収容する。
【００３０】
また、この第１の搬送アーム３０により上記両装置２６、２８間のウエハ２の搬送も行うことになる。そして、所定の処理が完了したウエハ２は、上記した経路を逆に辿って（オリエンタ４０は通らない）、上記ウエハ収納容器３８内へ戻ることになる。
【００３１】
次に、本発明に係るプラズマ成膜装置２８について説明する。図２に示すように、このプラズマ成膜装置２８は、例えばアルミニウム等により筒体状に成形された処理容器５０を有している。この処理容器５０は接地され、この底部５２には排気口５４が設けられて、圧力調整を行うスロットルバルブ５６を介して真空ポンプ５８により真空引き可能になされている。
【００３２】
この処理容器５０内には、円板状の載置台６０が設けられる。この載置台６０は、例えばアルミニウムよりなる載置台本体６０Ａと、この上面に設置される静電チャック６０Ｂとよりなり、この静電チャック６０Ｂ上に被処理体である半導体ウエハ２を吸着して保持できるようになっている。この静電チャック６０Ｂ内には、電極６２が設けられている。
【００３３】
また上記載置台本体６０Ａ内には、加熱手段として例えば絶縁された抵抗加熱ヒータ６６が全面に亘って設けられており、この載置台６０上に載置したウエハ２を加熱し得るようになっている。尚、この載置台本体６０Ａに、上記加熱手段と共に、ウエハ２を必要に応じて冷却する冷媒を流す冷媒通路を形成するようにしてもよい。この載置台６０は、この下面の中心部より下方へ延びる支柱６８により支持されており、この支柱６８の下部は、上記容器底部５２を貫通している。そして、この支柱６８は、図示しない昇降機構により上下移動可能になされており、上記載置台６０自体を昇降できるようにしている。
【００３４】
上記支柱６８を囲むようにして伸縮可能になされた蛇腹状の金属ベローズ７０が設けられており、この金属ベローズ７０は、その上端が上記載置台６０の下面に気密に接合され、また下端が上記底部５２の上面に気密に接合されており、処理容器５０内の気密性を維持しつつ上記載置台６０の昇降移動を許容できるようになっている。
【００３５】
また容器底部５２には、これより上方に向けて例えば３本（図示例では２本のみ記す）の支持ピン７２が起立させて設けられており、また、この支持ピン７２に対応させて上記載置台６０にピン挿通孔７４が形成されている。従って、上記載置台６０を降下させた際に、上記ピン挿通孔７４を貫通した支持ピン７２の上端部でウエハ２を受けて、このウエハ２を外部より侵入する第１の搬送アーム３０（図１参照）との間で移載ができるようになっている。このため、処理容器５０の下部側壁には、上記第１の搬送アーム３０を侵入させるために開閉可能になされたゲートバルブＧが設けられている。
【００３６】
またこの載置台本体６０Ａ上に設けた上記静電チャック６０Ｂの電極６２には、配線７６を介してチャック用電源７８及び例えば１３．５６ＭＨｚの高周波を発生する高周波電源よりなるバイアス電源８０がそれぞれ接続されており、ウエハ２を静電力により吸着保持すると共に、上記載置台６０に対してイオン引き込み用の所定のバイアス電力を印加できるようになっている。またこのバイアス電源８０はその出力されるバイアス電力を必要に応じて可変的に制御できるようになっている。
【００３７】
また、載置台本体６０Ａの抵抗加熱ヒータ６６には、支柱６８内に挿通された配線７７の一端が接続され、この配線７７の他端は供給電力が制御可能になされたヒータ電源７９に接続されている。
【００３８】
一方、上記処理容器５０の天井部には、例えば酸化アルミニウム等の誘電体よりなる高周波に対して透過性のある透過板８２がＯリング等のシール部材８４を介して気密に設けられている。そして、この透過板８２の上部に、処理容器５０内の処理空間８６に例えばプラズマ励起用ガスとしてのＡｒガスをプラズマ化してプラズマを発生するためのプラズマ発生源８８が設けられる。
【００３９】
尚、このプラズマ励起用ガスとして、Ａｒに代えて他の不活性ガス、例えばＨｅ、Ｎｅ等の希ガスを用いてもよい。具体的には、上記プラズマ発生源８８は、上記透過板８２に対応させて設けた誘導コイル部９０を有しており、この誘導コイル部９０には、プラズマ発生用の例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源９２が接続されて、上記透過板８２を介して処理空間８６に高周波を導入できるようになっている。
【００４０】
ここで、この高周波電源９２より出力されるプラズマ電力も必要に応じて制御できるようになっている。
【００４１】
また上記透過板８２の直下には、導入される高周波を拡散させる例えばアルミニウムよりなるバッフルプレート９４が設けられる。そして、このバッフルプレート９４の下部には、上記処理空間８６の上部側方を囲むようにして例えば断面が内側に向けて傾斜されて環状（截頭円錐殻状）になされた金属ターゲット９６が設けられており、この金属ターゲット９６にはＡｒイオンを引きつけるための電圧を供給するターゲット用の可変になされた直流電源９８が接続されている。尚、この直流電源に代えて交流電源を用いてもよい。
【００４２】
従って、この可変直流電源９８から出力される直流電力も必要に応じて制御できるようになっている。また、金属ターゲット９６の外周側には、これに磁界を付与するための磁石１００が設けられている。ここでは金属ターゲット９６として高融点金属である例えばＴｉ（チタン）が用いられ、このＴｉはプラズマ中のＡｒイオンにより金属原子、或いは金属原子団としてスパッタされると共に、プラズマ中を通過する際に多くはイオン化される。尚、上記金属ターゲット９６としては、Ｔｉ、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｍｎ（マンガン）、Ｔａ（タンタル）よりなる群より選択される１の材料を用いることができる。
【００４３】
またこの金属ターゲット９６の下部には、上記処理空間８６を囲むようにして例えばアルミニウムよりなる円筒状の保護カバー１０２が設けられており、この保護カバー１０２は接地されると共に、この下部は内側へ屈曲されて上記載置台６０の側部近傍に位置されている。また処理容器５０の底部には、この処理容器５０内へ必要とされる所定のガスを導入するガス導入手段として例えばガス導入口１０４が設けられる。このガス導入口１０４からは、プラズマ励起用ガスとして例えばＡｒガスや他の必要なガス例えばＮ２ ガス等が、ガス流量制御器、バルブ等よりなるガス制御部１０６を通して供給される。
【００４４】
ここでプラズマ成膜装置２８の各構成部は、例えばコンピュータ等よりなる装置制御部１０８に接続されて制御される構成となっている。具体的には装置制御部１０８は、バイアス電源８０、プラズマ発生用の高周波電源９２、可変直流電源９８、ガス制御部１０６、スロットルバルブ５６、真空ポンプ５８等の動作を制御し、本発明方法により薄膜を成膜する時に次のように動作する。
【００４５】
まず装置制御部１０８の支配下で、真空ポンプ５８を動作させることにより真空にされた処理容器５０内に、ガス制御部１０６を動作させつつＡｒガスを流し、スロットルバルブ５６を制御して処理容器５０内を所定の真空度に維持する。その後、可変直流電源９８を介して直流電力を金属ターゲット９６に印加し、更に高周波電源９２を介して誘導コイル部９０に高周波電力（プラズマ電力）を印加する。これと同時に、ヒータ電源７９も制御されて加熱手段である抵抗加熱ヒータ６６に電力を印加することによってウエハ２を所定の温度に加熱し、例えばこの温度を維持する。
【００４６】
一方、装置制御部１０８はバイアス電源８０にも指令を出し、載置台６０に対して所定のバイアス電力を印加する。このように制御された処理容器５０内においては、誘導コイル部９０に印加されたプラズマ電力によりアルゴンプラズマが形成されてアルゴンイオンが生成され、これらイオンは金属ターゲット９６に印加された電圧に引き寄せられて金属ターゲット９６に衝突し、この金属ターゲット９６がスパッタされて金属粒子が放出される。
【００４７】
また、スパッタされた金属ターゲット９６からの金属粒子である金属原子、金属原子団はプラズマ中を通る際に多くはイオン化される。ここで金属粒子は、イオン化された金属イオンと電気的に中性な中性金属原子とが混在する状態となって下方向へ飛散して行く。特に、この処理容器５０内の圧力は、例えば５ｍＴｏｒｒ程度になされており、これによりプラズマ密度を高めて、金属粒子を高効率でイオン化できるようになっている。
【００４８】
そして、金属イオンは、載置台６０に印加されたバイアス電力により発生したウエハ面上の厚さ数ｍｍ程度のイオンシースの領域に入ると、強い指向性をもってウエハ２側に加速するように引き付けられてウエハ２に堆積する。このように、高指向性を持った金属イオンにより堆積された薄膜は、基本的には垂直形状のカバレッジを得ることが可能となる。
【００４９】
ここで装置各構成部の制御は、装置制御部１０８により、所定の条件で金属膜の成膜が行われるように作成されたプログラムに基づいて制御されるようになっている。この際、例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、フラッシュメモリー、ハードディスク等よりなる記憶媒体１１０に、各構成部の制御を行うための命令を含むプログラムを格納しておき、このプログラムに基づいて所定の条件で処理を行うように各構成部を制御させる。
【００５０】
次に、以上のように構成されたプラズマ成膜装置２８を用いて行われる本発明の薄膜の形成方法について図３及び図４も参照して説明する。
図３は凹部内に形成される薄膜の状態を説明する説明図、図４は本発明に係る薄膜の形成方法の第１の実施形態を示すフローチャートである。尚、図８及び図９に記載された部分と同一構成部分については、同一符号を付してある。
【００５１】
本発明は、例えば半導体ウエハ２の表面に絶縁層と導電層とを形成する際に、上記絶縁層と導電層との間に介在される薄膜としてバリヤ層を形成する際に用いられる。ここで図８においては上記絶縁層としては絶縁層６が対応し、上記導電層としては埋め込み配線用の導電層１２が対応している。
【００５２】
まず、図２において載置台６０を下方へ降下させた状態で処理容器５０のゲートバルブＧを介して予め減圧雰囲気になされている処理容器５０内へウエハ２を搬入し（Ｓ１）、これを支持ピン７２上に支持させる。そして、この状態で載置台６０を上昇させると、この上面にウエハ２が受け渡されて載置され、このウエハ２が静電チャック６０Ｂにより載置台６０の上面に吸着される（Ｓ２）。
【００５３】
そして、載置台６０上にウエハ２を載置して吸着固定したならば、成膜処理を開始する。この時、ウエハ２の上面には、図３（Ａ）に示すように、図８及び図９において説明した構造と同じ構造の凹部８が絶縁層６の一部に予めウエハ搬入前に前工程で形成されている。この凹部８は、溝状のトレンチや穴状のホールよりなり、この底部に下層の配線層４が露出している。
【００５４】
まず、処理容器５０内を所定のプロセス圧力に維持しつつ加熱手段である抵抗加熱ヒータ６６への供給電力を増大して載置台６０上に載置しているウエハ２の昇温を開始する（Ｓ３）。そして、このウエハ２を所定の温度Ｔ１、すなわちこれから堆積されることになる薄膜がフロー（リフロー）を生ずるようなフロー温度まで加熱昇温して行く（Ｓ４のＮＯ）。この場合、載置台６０を予め予備加熱しておくのが望ましい。
【００５５】
この所定の温度Ｔ１は例えば４００℃程度である。尚、載置台６０には、図示しない熱電対等よりなる温度測定センサが設けられている。そして、ウエハ２の温度が所定の温度Ｔ１に到達したならば（Ｓ４のＹＥＳ）、次にプラズマを用いたスパッタ成膜へ移行する（Ｓ５）。
【００５６】
まず、プラズマ発生源８８の誘導コイル部９０にプラズマ電力を印加し、且つバイアス電源８０より所定のバイアス電力を載置台６０の静電チャック６０Ｂに印加する。更に金属ターゲット９６には可変直流電源９８より所定の直流電圧を印加して成膜を行う。ここでは、Ｔｉ合金膜を形成するためにガス導入口１０４よりプラズマ励起用ガスである例えばＡｒガスを処理容器５０内に供給する。
【００５７】
これにより、プラズマ電力でもってアルゴンプラズマが形成されてアルゴンイオンが生成され、これらイオンはＴｉよりなる金属ターゲット９６に衝突し、この金属ターゲットがスパッタされて金属粒子が放出される。この金属粒子は、金属原子、金属原子団等よりなり、プラズマによりイオン化され、或いはイオン化されないで中性粒子のままウエハ２の方向へ飛散し、ウエハ表面に堆積して、図３（Ｂ）に示すように凹部８内の底面及び側面を含む絶縁層６の表面全体にＴｉ膜１２２よりなる薄膜としてバリヤ層１０が所定の厚さで形成される。
【００５８】
この場合、プラズマによる自己バイアスや載置台６０に引加されているバイアス電力によって金属イオンは載置台６０の表面に対して直交する方向（法線）に引き込まれるように指向性を有しているので、法線１４（図９参照）と直交する面、例えば絶縁層６の上面や凹部８の底面には比較的厚くＴｉ膜１２２が堆積するが、法線１４と平行な面、例えば凹部８の側面には、上記底面と比較してＴｉ膜１２２は薄くしか堆積しない。
【００５９】
しかも、凹部８の開口部である肩部８Ａには、多くのＴｉ膜が堆積して中央に膨らんで行ってオーバハング部が形成される傾向にあり、この開口の面積が次第に狭くなっていく傾向にある。ここで、本発明にあっては、このプラズマスパッタリングによる成膜の期間中は、ウエハ２の温度が上記フロー温度を維持するように制御している（Ｓ６）。
【００６０】
このように、成膜中に亘ってウエハ２の温度をフロー温度に維持することにより、堆積しつつあるＴｉ膜１１２にはフロー温度の熱によるエネルギーのみならず、引き込みによるイオンエネルギーが加わってＴｉ膜１１２の表面が流れ出し、矢印１１４に示すように下向き方向へ表面拡散が生じることになる。すなわち、Ｔｉ膜１１２の表面積が少なくなる方向へ金属元素が移動して行く。この結果、上記肩部８Ａに堆積しつつあるＴｉ膜１１２は上記矢印１１４に示す方向へ表面拡散が生じて肩部８ＡにおけるＴｉ膜１１２の膨らみ、すなわちオーバハング部が解消されて図３（Ｃ）に示すように、開口の間口が大きい状態で維持され、且つ凹部８内の側壁にもＴｉ膜１１２を厚く堆積させることができる。
【００６１】
従って、凹部８内の壁面に膜厚の均一性が高い状態でＴｉ膜１１２を形成することができる。そして、所定の時間の成膜処理が完了したならば、成膜処理を終了し、処理容器６０内から処理済みのウエハ２を搬出して（Ｓ７）、処理を終了することになる。
【００６２】
このようにして、Ｔｉ膜１１２よりなる薄膜であるバリヤ層１０の形成が完了したならば、他の装置で凹部８内の埋め込み処理を行う。例えば凹部８内にスパッタリングによりＣｕのシード膜を形成した後に、Ｃｕ電気メッキ処理により凹部８内を銅により埋め込んだり、タングステンの成膜処理により凹部８内をタングステンで埋め込んだりすることになる。
【００６３】
ここで上記ステップＳ５、Ｓ６における成膜工程では、ウエハ２のフロー温度は、Ｔｉ膜を成膜する場合には３００℃であり、この成膜期間に亘って３００℃以上を維持しておく。この場合、ウエハ温度が３００℃よりも低いと、温度が低過ぎて十分な表面拡散が生じないので好ましくない。また、表面拡散を生ぜしめるためには、ウエハ温度は高い程よいが、この凹部８の下層に形成されたトランジスタ等の素子の耐熱温度以下に設定する。この耐熱温度は、下層に作り込まれた素子の種類にもよるが、例えば４５０℃程度である。
【００６４】
ここで、一般的には金属物質は融点以上に加熱すれば上述したような表面拡散が生ずるが、融点が１６００℃程度と非常に高いＴｉ膜が３００℃程度の低温でも表面拡散が生ずる理由は、バイアス電力により引き込まれるプラズマイオンによるイオンエネルギーがアシストして表面拡散が生ずるものと、考えられる。
【００６５】
この場合、バイアス電力は５０〜１６００ワットの範囲内であり、バイアス電力が５０ワットよりも小さい場合には、イオンエネルギーが十分ではなくて表面拡散が生じ難くなり、逆に、バイアス電力が１６００ワットよりも大きい場合には、スパッタリングによる成膜レートが大きくなり過ぎてしまって肩部８Ａの膨らみは表面拡散で減少する以上の速さで成長してしまい、好ましくない。
【００６６】
更には、ターゲット金属９６に印加する直流電源９８の電圧は、１ｋＷ〜１０ｋＷの範囲が好ましい。また、プロセス時間は堆積するＴｉ膜１１２の膜厚にもよるが、例えば目標膜厚が１５ｎｍの場合には４５秒程度である。
【００６７】
また、本発明では表面拡散を生ぜしめることが必要であることから、Ｔｉ膜の成膜中、ウエハ温度をフロー温度、例えば３００℃以上に維持していればよいのであって、常に一定温度、例えば４００℃に維持するように制御してもよく、また、一定温度に維持する必要もない。
【００６８】
従って、自然放熱による温度低下速度と成膜処理時間とを考慮して成膜処理完了時に３００℃以上を保持しているならば、例えばウエハ温度を一旦４００℃程度まで昇温したならば抵抗加熱ヒータ６６のヒータ電源７９をオフするようにしてもよい。
【００６９】
更には、第２の実施形態として、このプラズマ成膜装置２８とは別に設けた予備加熱装置２６（図１参照）で、このウエハ２を予めフロー温度以上に予備加熱しておき、その後、直ちにこの予備加熱されたウエハ２をプラズマ成膜装置２８内へ搬入して上述したようなプラズマスパッタによるＴｉ膜の成膜処理を行うようにしてもよい。この場合には、予備加熱装置２６でウエハ２は加熱されているので、プラズマ成膜装置２８の載置台６０に加熱手段６６を設ける必要がない。尚、この場合にも、予備加熱温度は、ウエハの搬送時の自然放熱とＴｉ膜成膜時の自然放熱によるウエハ温度の低下を考慮して決定すればよい。
【００７０】
このように、本発明によれば、表面に凹部８を有する被処理体（半導体ウエハ）２の表面に薄膜（Ｔｉ膜）１１２を堆積して形成するに際して、被処理体２を、堆積されつつある薄膜がフローを生ずるようなフロー温度に加熱した状態に維持するようにしたので、堆積しつつある薄膜１１２が流れ出して表面拡散が生じ、これにより、被処理体２の表面の凹部８の開口部近傍にオーバハング部が形成されることを防止し、この結果、ピンチオフやボイドを発生させることなく凹部内を埋め込むことができる。
【００７１】
＜本発明方法の評価＞
次に、本発明方法に従って実際に凹部を有する半導体ウエハにＴｉ膜を形成して実験を行ったので、その評価結果について図５及び図６を参照して説明する。ここでは凹部の開口の幅が３５ｎｍと４５ｎｍの溝（ｔｒｅｎｃｈ）を有するウエハに対して成膜を行った。また比較のためのウエハを加熱しないで常温（６０℃）のままで成膜を行う従来の成膜方法についても行った。
【００７２】
プロセス条件は以下の通りである。
ウエハ温度：４００℃
プロセス圧力：５ｍＴｏｒｒ
バイアス電力：１００Ｗ／８００Ｗ
プラズマ用高周波電力：５．２５ｋＷ
ターゲット用電圧：９ｋＷ
成膜時間：４５ｓｅｃ（膜厚：１５ｎｍ）
【００７３】
図５は凹部に形成した薄膜のオーバハング率を示すグラフ、図６は凹部に形成された薄膜の断面を示す電子顕微鏡写真である。尚、オーバハング率とは、図５に併記した凹部の断面図に示すように、ウエハ上面上の膜厚ａと凹部の開口部の水平方向における膜厚ｂとの比（ｂ／ａ）で表される。
【００７４】
図５に示すように、オーバハング率に関して、トレンチの幅が３５ｎｍの場合は、従来方法では７６．９％、本発明方法では４６．２％であり、またトレンチの幅が４５ｎｍの場合は、従来方法では７３．１％、本発明方法では４６．２％であり、オーバハング率に関しては共に本発明方法が従来方法よりも大幅に改善できることを確認することができた。また、この点は、図６に示す電子顕微鏡写真からも明確であり、従来方法と比較して本発明方法の場合は凹部の開口近傍に形成されるオーバハング部の厚さを大幅に抑制できることを確認することができた。尚、上記結果は載置台６０へのバイアス電力が１００ワットの場合も８００ワットの場合も同じであった。
【００７５】
また上記実施態様では、Ｔｉ膜１１２の一層だけでバリヤ層１０を構成したが、これに限定されず、複数層でバリヤ層１０を構成してもよい。
また、上記凹部８の変形例として図７に示すような構成の凹部にも本発明を適用することができる。図７は凹部の形状の変形例を示す図である。図７に示すように、ここでは絶縁層６に形成される凹部８は、細長い溝状のトレンチ８ｘと、このトレンチ８ｘの底部の一部に形成された穴状のホール８ｙとにより構成されており、このホール８ｙの底部に下層の配線層等の導電層４が露出して、この導電層４に対して電気的なコンタクトを図ることになる。このような２段構造をＤｕａｌ  Ｄａｍａｓｃｅｎｅの構造と称す。
【００７６】
このような構造の凹部８の場合にも、前述した本発明を適用することができる。また、ここでは被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明のプラズマ成膜装置を有する処理システムの一例を示す模式図である。
【図２】本発明に係るプラズマ成膜装置の一例を示す断面図である。
【図３】凹部内に形成される薄膜の状態を説明する説明図である。
【図４】本発明に係る薄膜の形成方法の第１の実施形態を示すフローチャートである。
【図５】凹部に形成した薄膜のオーバハング率を示すグラフである。
【図６】凹部に形成された薄膜の断面を示す電子顕微鏡写真である。
【図７】凹部の形状の変形例を示す図である。
【図８】半導体ウエハの表面の凹部の埋め込み状態を示す断面図である。
【図９】表面に凹部を有する半導体ウエハの表面にＴｉ膜が形成される時の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７８】
２  半導体ウエハ（被処理体）
４  導電層
６  絶縁層
８  凹部
１０  バリヤ層（薄膜）
１２  導電層
２２  処理システム
２４  共通搬送室
２６  予備加熱装置
２８  プラズマ成膜装置
３０  第１の搬送アーム
３２  ロードロック室
５０  処理容器
６０  載置台
６０Ａ  載置台本体
６０Ｂ  静電チャック
６２  電極
６６  抵抗加熱ヒータ（加熱手段）
７９  ヒータ電源
８０  バイアス電源
８８  プラズマ発生源
９２  高周波電源
９６  金属ターゲット
９８  直流電源
１０４  ガス導入口（ガス導入手段）
１０８  装置制御部
１１２  Ｔｉ膜（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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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