(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
その内部の圧力を大気圧以下の圧力に保持することができる一または二以上の真空容器と、前記真空容器内の気体を排気する排気手段と、前記真空容器のうち少なくとも一の真空容器に一定流量のガスを供給するガス供給手段と、前記ガスを排気し、前記一の真空容器内の圧力を所定の圧力に保持する圧力調整手段と、前記ガスの全部もしくは一部をプラズマ状態にすることができるプラズマ生成手段と、前記プラズマに接し、薄膜の原料となる物質を主成分とする材料をその表面に有するターゲットと、前記プラズマの作用によって前記ターゲットからスパッタリングされた原料物質がその表面に堆積される基板を保持する基板ホルダと、を含み、前記基板ホルダは、前記基板を冷却する冷却機構を備える薄膜形成装置を用いて、開孔を有する絶縁膜が形成された前記基板の前記開孔内へ厚さ５０Å以上２００Å以下の金属膜を形成する半導体集積回路装置の製造方法であって、前記基板を室温以下の温度に保持した状態で、前記プラズマの作用により前記ターゲットから原料物質をスパッタし、前記基板に薄膜を堆積する工程、を含むことを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体集積回路装置の製造方法であって、前記冷却機構は、０℃以下においても凝固しない冷媒を利用して前記基板ホルダを冷却する機構を有するものであり、前記基板を室温以下の温度に保持できるものであることを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の半導体集積回路装置の製造方法であって、前記真空容器のうち少なくとも１つの真空容器は、前記基板を加熱する基板加熱手段を備えていることを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１記載の半導体集積回路装置の製造方法であって、前記真空容器のうち少なくとも１つの真空容器は、その真空容器内の圧力を大気圧以上の加圧状態に保持することができる加圧手段を備えていることを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
【請求項５】
その内部の圧力を大気圧以下の圧力に保持することができる一または二以上の真空容器と、前記真空容器内の気体を排気する排気手段と、前記真空容器のうち少なくとも一の真空容器に一定流量のガスを供給するガス供給手段と、前記ガスを排気し、前記一の真空容器内の圧力を所定の圧力に保持する圧力調整手段と、前記ガスの全部もしくは一部をプラズマ状態にすることができるプラズマ生成手段と、前記プラズマに接し、薄膜の原料となる物質を主成分とする材料をその表面に有するターゲットと、前記プラズマの作用によって前記ターゲットからスパッタリングされた原料物質がその表面に堆積される基板を保持する基板ホルダと、を含み、前記基板ホルダは、前記基板を冷却する冷却機構を備え、前記冷却機構は、０℃以下においても凝固しない冷媒を利用して前記基板ホルダを冷却する機構を有するものであり、前記基板を室温以下の温度に保持できるものであり、前記真空容器のうち少なくとも１つの真空容器は、前記基板を加熱する基板加熱手段を備えている薄膜形成装置を用いて、開孔を有する絶縁膜が形成された前記基板の前記開孔内へ厚さ５０Å以上２００Å以下の金属膜を形成する半導体集積回路装置の製造方法であって、
（ａ）前記基板を室温以下の温度に保持した状態で、前記プラズマの作用により前記ターゲットから原料物質をスパッタし、前記基板に薄膜を堆積する工程、
（ｂ）前記（ａ）の工程の後、前記基板を１００℃以上の温度に保持した状態で、前記プラズマの作用により前記ターゲットから原料物質をスパッタし、前記基板に薄膜を堆積する工程、を含むことを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
【請求項６】
その内部の圧力を大気圧以下の圧力に保持することができる一または二以上の真空容器と、前記真空容器内の気体を排気する排気手段と、前記真空容器のうち少なくとも一の真空容器に一定流量のガスを供給するガス供給手段と、前記ガスを排気し、前記一の真空容器内の圧力を所定の圧力に保持する圧力調整手段と、前記ガスの全部もしくは一部をプラズマ状態にすることができるプラズマ生成手段と、前記プラズマに接し、薄膜の原料となる物質を主成分とする材料をその表面に有するターゲットと、前記プラズマの作用によって前記ターゲットからスパッタリングされた原料物質がその表面に堆積される基板を保持する基板ホルダと、を含み、前記基板ホルダは、前記基板を冷却する冷却機構を備え、前記冷却機構は、０℃以下においても凝固しない冷媒を利用して前記基板ホルダを冷却する機構を有するものであり、前記基板を室温以下の温度に保持できるものであり、前記真空容器のうち少なくとも１つの真空容器は、前記基板を加熱する基板加熱手段を備え、さらに、前記真空容器のうち少なくとも１つの真空容器は、その真空容器内の圧力を大気圧以上の加圧状態に保持することができる加圧手段を備えている薄膜形成装置を用いて、開孔を有する絶縁膜が形成された前記基板の前記開孔内へ厚さ５０Å以上２００Å以下の金属膜を形成する半導体集積回路装置の製造方法であって、
（ａ）前記基板を室温以下の温度に保持した状態で、前記プラズマの作用により前記ターゲットから原料物質をスパッタし、前記基板に薄膜を堆積する工程、
（ｂ）前記（ａ）の工程の後、前記基板を１００℃以上の温度に保持した状態で、前記プラズマの作用により前記ターゲットから原料物質をスパッタし、前記基板に薄膜を堆積する工程、
（ｃ）前記（ｂ）の工程の後、前記基板を大気圧以上の加圧状態に保持する工程、を含むことを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜形成装置および薄膜形成方法ならびに半導体集積回路装置に関し、特に、高いアスペクト比のコンタクトホール、ビアホール等の開孔を有する高性能な半導体集積回路装置の製造に適用して有効な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路装置に用いられる金属膜等の導電膜は、通常スパッタリング等のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition ）法を用いて形成される。
【０００３】
スパッタリング法は、一般に、対向して設置されたアノードおよびカソードとなる２つの電極の間に、直流または交流の電界を印加し、両電極間に発生したプラズマの作用によりカソード上に設置したターゲット物質をスパッタし、このスパッタされた物質をアノード上に設置した基板に体積させるものである。
【０００４】
電極の構造は平行平板形であることが一般的であるが、プラズマの密度向上を目的としてカソード裏面に磁石を配置し、マグネトロンプラズマを生成する場合もある。
【０００５】
ターゲット物質は、被形成薄膜の物質組成と化学量論的に同一となる材料が一般的には選ばれるが、プラズマを構成するガスの反応性を利用して、被形成薄膜の物質組成をターゲット物質の組成から変化させる反応性スパッタとされることもある。
【０００６】
１９８３年７月２５日、工業調査会発行、「最新ＬＳＩプロセス技術」、ｐ２４６に記載されているとおり、基板が設置されるアノードは加熱され、被形成薄膜の堆積は、基板の温度が雰囲気温度よりも高くなっている状態で行われるのが一般的である。
【０００７】
ところで、本発明者は、基板を加熱する理由について検討した。以下は、公知とされた技術ではないが、発明者により検討された技術であり、その概要は次のとおりである。
【０００８】
すなわち、被形成薄膜の成膜メカニズムにおいて、ターゲットからスパッタされた物質（クラスタ物質と云われる）が基板表面に輸送されてきた後、そのクラスタ物質が薄膜の被形成表面を泳動する距離は、被形成表面の温度に依存し、その温度が高いほど泳動距離は長いと考えらる。泳動距離が長いほど被形成薄膜の欠陥は減少し、特性的には導電率の向上を示す。配線としてこのスパッタ薄膜を用いる場合には、薄膜の導電率は重要な特性評価項目となる。なお、基板の加熱は、アノードからの滅伝導加熱の他に、赤外線等による直接加熱が採用される場合もある。
【０００９】
従って、スパッタ法を用いた薄膜形成装置においては、基板ホルダーでもあるアノードに加熱用ヒータを備える。なお、加熱用ヒータに加えて冷却水循環機構を有している場合もあるが、ここでの冷却水の役割は、ヒータによる入熱量の調整を行うことを目的とするものであり、環境温度より高い温度領域での基板温度の制御性を確保するものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、半導体集積回路装置の集積度が向上するに従い、段差の被覆性（ステップカバレッジ）が問題となる。つまり、集積度の向上に従って開孔等のアスペクト比は高くなり、開孔の底面あるいは側面での薄膜の被覆性が低下するという問題を生じる。
【００１１】
上記問題は、本発明者らの検討により以下のように理解することができる。すなわち、従来の基板加熱を行う薄膜形成装置では、基板表面の薄膜被形成表面は、従来技術の項で説明したとおりクラスタが十分泳動できる状態にある。クラスタの泳動距離の増大は、薄膜被形成表面での他のクラスタとの会合（衝突）確率の増大をもたらす。この会合が起こればかなりの確率で相互のクラスタは結合し、表面自由エネルギの減少を伴って、結晶粒へと成長することとなる。この結晶粒の大きさが被形成薄膜の膜厚に比べて十分小さい場合には問題はあまりないが、開孔の微細化、高アスペクト比化に伴って、開孔底面あるいは側面に形成する薄膜の膜厚が薄くなる場合、特に開孔内に形成する薄膜を積層化する場合の下層とする場合には、要求される膜厚は５０〜２００Åと薄く、数十クラスタ（数原子の元素で１つのクラスタが形成されると考えられている）の会合で膜厚相当の厚さの結晶粒が成長してしまう。このような結晶粒の成長は、スパッタ物質により基板表面が被覆されない島状成長つまり基板表面被覆率の低下あるいは表面平坦性の劣化を引き起こすこととなる。
【００１２】
このような基板表面被覆率の低下あるいは表面平坦性の劣化は、その後の製造プロセスに悪影響を及ぼすと同時に半導体集積回路装置の製造歩留まりの低下を招くという問題を生じる。
【００１３】
本発明の目的は、膜厚の薄いスパッタ薄膜においても、高い表面被覆率および良好な表面平坦性を実現できる薄膜形成装置を提供することにある。
【００１４】
本発明の他の目的は、高い表面被覆率および良好な表面平坦性を有する膜厚の薄いスパッタ薄膜の製造方法を提供することにある。
【００１５】
本発明のさらに他の目的は、高い表面被覆率および良好な表面平坦性を有するスパッタ薄膜を用いて、信頼性が高く、製造歩留まりの高い半導体集積回路装置とその製造方法を提供することにある。
【００１６】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１８】
（１）本発明の薄膜形成装置は、その内部の圧力を大気圧以下の圧力に保持することができる一または二以上の真空容器と、真空容器内の気体を排気する排気手段と、真空容器のうち少なくとも一の真空容器に一定流量のガスを供給するガス供給手段と、ガスを排気し、一の真空容器内の圧力を所定の圧力に保持する圧力調整手段と、ガスの全部もしくは一部をプラズマ状態にすることができるプラズマ生成手段と、プラズマに接し、薄膜の原料となる物質を主成分とする材料をその表面に有するターゲットと、プラズマの作用によって前記ターゲットからスパッタリングされた原料物質がその表面に堆積される基板を保持する基板ホルダと、を含む薄膜形成装置であって、基板ホルダは、基板を冷却する冷却機構を備えるものである。
【００１９】
このような薄膜形成装置によれば、基板ホルダに冷却機構を備えているため、基板を冷却することが可能であり、前記した薄膜被形成表面でのクラスタの泳動距離を小さくすることができる。このため、被形成表面での結晶粒の成長は抑制され、基板の表面被覆率は高くなり、また、表面平坦性も向上することとなる。その結果、この薄膜形成装置を用いて製造した半導体集積回路装置の信頼性は向上し、製造歩留まりも向上することとなる。
【００２０】
なお、前記冷却機構は、基板ホルダを冷媒により冷却する機構の他に、ペルチェ素子等を用いた電子冷却とすることもできる。
【００２１】
また、本発明の薄膜形成装置におけるプラズマ生成手段は、平行平板電極を用いた一般的なプラズマ発生手段の他に、マグネトロンプラズマ、ＥＣＲプラズマ（Electron Cyclotron Resonance Plasma ）、ヘリコン波プラズマ等の高密度プラズマを用いることもできる。
【００２２】
（２）本発明の薄膜形成装置は、前記した（１）に記載の薄膜形成装置であって、冷却機構は、０℃以下においても凝固しない冷媒を利用して基板ホルダを冷却する機構を有するものであり、基板を室温以下の温度に保持できるものである。
【００２３】
このような薄膜形成装置によれば、冷却機構は０℃以下においても凝固しない冷媒を利用するものであるため、基板を室温以下の温度に保持することができ、より表面被覆率が高く、表面平坦性に優れた薄膜を形成することができる。
【００２４】
また、このような薄膜形成装置によれば、冷媒を用いるため、装置の構造を簡略化することができ、保守等が容易になることに加え、高周波プラズマ等を生成する場合であっても、そのプラズマ発生用の電界に影響されることなく温度制御が可能になるという利点を有する。
【００２５】
（３）本発明の薄膜形成装置は、前記した（１）または（２）に記載の薄膜形成装置であって、少なくとも１つの真空容器は、基板を加熱する基板加熱手段を備えているものである。
【００２６】
このような薄膜形成装置によれば、基板冷却が可能な基板ホルダを有する真空容器あるいは他の真空容器に、基板加熱が可能な基板加熱手段を備えているため、薄膜堆積前の基板に付着した残留ガスあるいは水分を有効に除去することができる。また、基板を冷却した状態でのスパッタ成膜の後に、同一の真空容器で、あるいは他の真空容器で基板を加熱した状態での薄膜の堆積を実行することができる。
【００２７】
（４）本発明の薄膜形成装置は、前記した（１）〜（３）に記載の薄膜形成装置であって、少なくとも１つの真空容器は、その真空容器内の圧力を大気圧以上の加圧状態に保持することができるものである。
【００２８】
このような薄膜形成装置によれば、基板冷却が可能な基板ホルダを有する真空容器あるいは他の真空容器が、その真空容器内の圧力を大気圧以上の加圧状態に保持することができるため、開孔等に堆積した薄膜にボイドを有する場合であっても、この圧力の力学的な作用により、ボイドを埋め込むことが可能である。
【００２９】
（５）本発明の薄膜形成方法は、前記した（１）〜（４）に記載の薄膜形成装置を用いて基板に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、基板を室温以下の温度に保持した状態で、プラズマの作用によりターゲットから原料物質をスパッタし、基板に薄膜を堆積する工程を含むものである。
【００３０】
このような薄膜形成方法によれば、基板を室温以下に保持するため、基板表面の薄膜が堆積される被形成表面でのクラスタの泳動が抑制され、表面被覆率が高く、表面平坦性に優れたスパッタ薄膜を形成することができる。
【００３１】
（６）本発明の薄膜形成方法は、前記した（３）または（４）に記載の薄膜形成装置を用いて基板に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、基板を室温以下の温度に保持した状態で、プラズマの作用によりターゲットから原料物質をスパッタし、基板に薄膜を堆積する第１の工程、その後、基板を１００℃以上の温度に保持した状態で、プラズマの作用によりターゲットから原料物質をスパッタし、基板に薄膜を堆積する第２の工程、を含むものである。
【００３２】
このような薄膜形成方法によれば、基板を室温以下に保持したスパッタ薄膜形成の後に、基板を１００℃以上の温度に保持した状態で薄膜を形成するため、前記（５）の効果に加え、高いアスペクト比の開孔であっても容易に開孔の穴埋めが可能である。すなわち、基板の温度が高いため、クラスタの泳動や粒成長が促進され、その結果開孔内部に流動性を持ったクラスタが引きずりこまれ、開孔を埋め込むことができるからである。
【００３３】
（７）本発明の薄膜形成方法は、前記した（４）に記載の薄膜形成装置を用いて基板に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、基板を室温以下の温度に保持した状態で、プラズマの作用によりターゲットから原料物質をスパッタし、基板に薄膜を堆積する第１の工程、その後、基板を１００℃以上の温度に保持した状態で、プラズマの作用によりターゲットから原料物質をスパッタし、基板に薄膜を堆積する第２の工程、その後、前記基板を大気圧以上の加圧状態に保持する第３の工程、を含むものである。
【００３４】
このような薄膜形成方法によれば、基板を室温以下に保持したスパッタ薄膜形成の後に、基板を１００℃以上の温度に保持した状態で薄膜を形成し、その後、基板を加圧状態に保持するため、前記（５）および（６）の効果に加え、第２の工程における薄膜形成の結果開孔にボイドが形成されても、加圧状態による物理的な圧力によってそのボイドを押しつぶし、ボイドを無くすことができる。加圧圧力は１００気圧以上、好ましくは４００気圧〜５００気圧である。この加圧工程において同時に基板を加熱することも効果的である。なお、第１の工程を経ずに、第２および第３の工程により開孔の穴埋めを行うことも可能であるが、第１の工程が存在することにより、開孔内の薄膜の表面被覆率および表面平坦性が向上しているため、第３の工程における圧力および温度の条件を緩和し、より低い圧力、より低い温度で、前記ボイドを消滅させることが可能となる。
【００３５】
（８）本発明の薄膜形成方法は、前記した（６）または（７）に記載の薄膜形成方法であって、第１の工程から第２の工程、または第２の工程から第３の工程に移行する際に、基板を、非酸化性または還元性雰囲気に置くことを特徴とするものである。
【００３６】
このような薄膜形成方法によれば、前記各工程間の休止時あるいは移動時にその直前に形成された薄膜の表面を酸化することなく、次工程の薄膜堆積時にクラスタの十分な表面泳動を実現でき、開孔をボイドの無い状態で埋め込むことができる。
なお、非酸化性雰囲気には、高真空状態に数分以下の短時間曝す場合も含むものである。このような場合も、薄膜の表面を酸化させにくいものだからである。
【００３７】
（９）本発明の半導体集積回路装置は、基板の主面に半導体素子を有し、半導体素子を覆う絶縁層に設けられた開孔を介して半導体素子または下層配線に接する配線を有する半導体集積回路装置であって、配線は、基板を室温以下の温度に保持した状態で、プラズマの作用によるターゲットからの原料物質のスパッタリングにより、基板に堆積された第１の導電層と、基板を１００℃以上の温度に保持した状態で、プラズマの作用によるターゲットからの原料物質のスパッタリングにより、基板に堆積された第２の導電層と、を含むものである。
【００３８】
このような半導体集積回路装置によれば、その配線を構成する第１層が、基板を室温以下の温度に保持した状態で、プラズマの作用によるターゲットからの原料物質のスパッタリングにより製造されたものであるため、開孔内の第１層の表面被覆率が高く、表面平坦性にも優れたものとなっている。このため、半導体集積回路装置の信頼性および製造歩留まりを高くすることができる。
【００３９】
また、前記配線の第２層が、基板を１００℃以上の温度に保持した状態で、プラズマの作用によるターゲットからの原料物質のスパッタリングにより、基板に堆積されたものであるため、第２層の導電率は十分高く、半導体集積回路装置の基本的な性能を発揮することができる。
【００４０】
なお、この半導体集積回路装置は、１００気圧以上の高い圧力下に保持して製造されたものであってもよい。その場合、開孔のボイドの存在確率は低くなり、信頼性および製造歩留まりは向上する。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００４２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である薄膜形成装置の成膜室の一例を示した側面断面図であり、図２は、本発明の一実施の形態である薄膜形成装置の成膜室の別の一例を示した側面断面図である。また、図３は、本発明の一実施の形態である薄膜形成装置の一例を示した上面図である。
【００４３】
本実施の形態の薄膜形成装置は、図３に示すとおり、半導体集積回路装置の製造に用いられるウェハプロセス用の金属膜形成装置であり、真空搬送室１を中心に真空容器であるロードロック室２、前処理加熱室３、前処理スパッタエッチ室４、Ｔｉスパッタ成膜室５、第１のＡｌスパッタ成膜室６および第２のＡｌスパッタ成膜室７を有するマルチチャンバ成膜装置である。
【００４４】
真空搬送室１には、ロボットアーム１ａを有し、このロボットアーム１ａを用いて基板を搬送することができる。
【００４５】
ロードロック室２、前処理加熱室３、前処理スパッタエッチ室４、Ｔｉスパッタ成膜室５、第１のＡｌスパッタ成膜室６および第２のＡｌスパッタ成膜室７は、ゲートバルブ１ｂを介して真空搬送室１に接続されており、各々、残留ガスを排気し、高真空状態に保持できる排気機構と、各々の処理に応じたプロセスガスを一定流量で供給することができるガス供給系と、この供給されるガスの圧力を一定に保持することができる圧力調整系を有する。
【００４６】
また、真空搬送室１にも同様に排気機構を備えることができる。
【００４７】
ロードロック室２は、基板であるウェハ１０のロードおよびアンロードを行う処理室であり、ウェハ１０は通常カセットに複数枚セットして、カセット単位の処理を行う。
【００４８】
前処理加熱室３は、ウェハ１０をロボットアーム１ａによりロード室からロードし、加熱処理を行うことができる。これにより、ウェハ１０の表面に吸着したガスあるいは水蒸気を除去することができる。また、各処理室とは独自に前処理加熱室３を設けることにより、一般に処理時間を要する加熱処理を前もって行うことが可能となり、総タクトタイムの短縮によるスループットの向上を図ることができる。前処理加熱室３には、抵抗加熱ヒータを備えたウェハ１０のホルダあるいはウェハ１０に均一に照射することができる赤外線ヒータを備えている。
【００４９】
前処理スパッタエッチ室４は、前処理加熱室３による加熱処理では除去しきれない数分子層の水分子をスパッタイオンの作用により除去することができる。また、ウェハ１０の表面の薄膜被形成表面の薄い自然酸化膜をスパッタイオンの作用により除去することができる。前処理スパッタエッチ室４には、平行平板電極を備え、ウェハ１０は前記電極のカソード側に設置することが好ましい。
【００５０】
Ｔｉスパッタ成膜室５は、図１に示すとおり、Ｔｉターゲット５ａと冷却可能なウェハステージ８とを有するものである。
【００５１】
ウェハステージ８の内部には、冷媒導入用の流路８ａが形成されており、流路８ａは冷媒温度調節器８ｂに接続されている。また、スパッタ成膜室外部では流路８ａは、断熱材８ｃにより大気と熱的に遮断されており、結露を防止している。流路８ａには、例えばフロリナートのような冷媒８ｄを循環させることができ、冷媒温度調節器８ｂを用いた熱交換により、ウェハステージ８の温度を例えば−２０℃程度まで下げることが可能である。さらにウェハステージ８には抵抗加熱ヒータ８ｅおよび熱電対８ｆが設置されており、冷媒との併用により、例えば−１０℃程度に温度を調整し保持することが可能となっている。
【００５２】
一方、ウェハステージ８の表面には、例えば静電チャック等のウェハ保持機構８ｇが単独で、または冷却ガス吹き出し口８ｈとともにウェハ保持機構８ｇが設けられており、ウェハ１０とウェハステージ８との間の熱伝達を向上しウェハ１０とウェハステージ８との間の温度差を低減できるようになっている。
【００５３】
冷却ガス吹き出し口８ｈにつながる配管は図示しないガス供給系に接続される。また、Ｔｉターゲット５ａは、Ｔｉスパッタ成膜室５から電気的に絶縁された状態で保持され、図示しない電源に接続される。Ｔｉターゲット５ａには、電界は直流あるいは交流の電界が印加されてプラズマを生成する。このとき、ウェハステージ８は接地され、Ｔｉターゲット５ａとウェハステージ８とは互いに対向する平行平板電極を構成する。
【００５４】
第１のＡｌスパッタ成膜室６は、Ａｌターゲット６ａと冷却可能なウェハステージ８とを有するものである。ウェハステージ８およびその他電極構造等は、Ｔｉスパッタ成膜室５の場合と同様であるため、説明を省略する。
【００５５】
第２のＡｌスパッタ成膜室７は、図２に示すとおり、Ａｌターゲット７ａと加熱可能なウェハステージ１１とを有するものである。
【００５６】
ウェハステージ１１の内部には、冷却水導入用の流路１１ａが形成されており、流路１１ａは、冷却水温度調節器１１ｂに接続されている。さらにウェハステージ１１には、抵抗加熱ヒータ１１ｅおよび熱電対１１ｆが設置されており、冷却水との併用により、例えば４００℃程度に温度を調整し保持することが可能となっている。
【００５７】
一方、ウェハステージ１１の表面には、例えば静電チャック等のウェハ保持機構１１ｇが単独で、または温調用ガス吹き出し口１１ｈとともにウェハ保持機構１１ｇが設けられており、ウェハ１０とウェハステージ１１との間の熱伝達を向上しウェハ１０とウェハステージ１１との間の温度差を低減できるようになっている。
【００５８】
ガス供給系、電極構造については、Ｔｉスパッタ成膜室５の場合と同様であるため、説明を省略する。
【００５９】
なお、ここでは、ウェハステージ１１内部に冷却水導入用の流路１１ａを設け、ウェハ１０の温度制御に用いているが、これは用いても、用いなくても良い。
【００６０】
上記した本実施の形態の薄膜形成装置によれば、以下のような効果が得られる。
【００６１】
（１）ウェハステージ８を冷却することが可能となり、表面被覆率が高く、表面平坦性に優れたＴｉあるいはＡｌのスパッタ膜を得ることができる。
【００６２】
（２）冷媒８ｄとして、０℃以下においても凝固しないフロリナートを利用するため、ウェハ１０を室温以下の温度に保持することができ、より表面被覆率が高く、表面平坦性に優れたＴｉあるいはＡｌのスパッタ膜を形成することができる。
【００６３】
（３）冷媒８ｄを用いるため、装置の構造を簡略化することができ、保守等が容易になることに加え、高周波プラズマ等を生成する場合であっても、そのプラズマ発生用の電界に影響されることなく温度制御が可能になる。
【００６４】
（４）ウェハステージ１１を加熱することができるので、従来同様、導電率の高いＡｌスパッタ膜を得ることができる。
【００６５】
（５）マルチチャンバ方式を採用するため、低温にてＴｉおよびＡｌスパッタ膜を形成した後、高温にてＡｌスパッタ膜を形成することが可能である。これにより、開孔のＡｌによる埋込の際にボイドを形成しない良好な埋込膜を形成することができる。
【００６６】
（６）ロードロック室２を備えるため、ウェハ１０あたりのタクトタイムを短縮し、スループットを向上することができる。
【００６７】
（７）前処理加熱室３を備えるため、ウェハ１０の表面に吸着したガスあるいは水蒸気を除去することができる。また、総タクトタイムの短縮によるスループットの向上を図ることができる。
【００６８】
（８）前処理スパッタエッチ室４を備えるため、前処理加熱室３による加熱処理では除去しきれない数分子層の水分子をスパッタイオンの作用により除去することができる。また、ウェハ１０の表面の薄膜被形成表面の薄い自然酸化膜をスパッタイオンの作用により除去することができる。
【００６９】
なお、第２のＡｌスパッタ成膜室７には、１００気圧以上たとえば５００〜７００気圧の加圧機構を設けてもよい。このとき、同時にウェハ１０を加熱する場合には、ウェハ１０の温度を４００〜５００℃に保持できる加熱機構を備えることが望ましい。
【００７０】
このような場合には、開孔等に堆積したＡｌスパッタ薄膜にボイドを有する場合であっても、この圧力の力学的な作用により、ボイドを埋め込むことが可能となる。
【００７１】
また、本実施の形態では、ＴｉおよびＡｌのスパッタ膜を低温で形成でき、Ａｌスパッタ膜を高温で形成できる薄膜形成装置の例について説明したが、Ｔｉの代わりにＴｉＮあるいはＴｉ／ＴｉＮの積層膜が形成できる装置であっても構わない。この場合、目的物質に応じてターゲットを変更すれば実現できる。また、高温Ａｌスパッタ膜の代わりにＣＶＤ−Ｗ薄膜が形成できる装置であってもよい。
【００７２】
（実施の形態２）
図４は、本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の一例を示した断面図である。
【００７３】
ウェハ１０の主面には図示しない半導体集積回路素子が形成され、その半導体集積回路素子は、絶縁膜１０ａを介して第１層配線層である金属膜１２に接続されている。金属膜１２は、層間絶縁膜１３に穿孔した開孔１４を介して第２層配線層に接続される。第２層配線層は、Ｔｉ膜１５、低温スパッタ成膜によるＡｌ膜１６および高温スパッタ成膜によるＡｌ膜１７から構成されている。
【００７４】
次に、前記半導体集積回路装置の製造方法を図５〜図８を用いて説明する。なお、本実施の形態の半導体集積回路装置の製造方法は、実施の形態１で説明した薄膜形成装置を利用するものである。
【００７５】
図５は、本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造工程の一例を示した要部断面図である。図６〜図８は、図５における開孔１４部分の製造工程の一例を示した要部断面図である。
【００７６】
ウェハ１０の主面に公知の半導体集積回路装置の製造方法を用いて半導体集積回路素子を形成し、絶縁膜１０ａ、第１層配線層である金属膜１２を形成する。半導体集積回路素子と金属膜１２との接続のための絶縁膜１０ａに形成される開孔、および金属膜１２のパターニングは、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いることができる。その後、層間絶縁膜１３を形成し、そこに第１層配線層の金属膜１２に達する開孔１４を穿孔する（図５）。
【００７７】
次に、ウェハ１０を前記実施の形態１で説明した薄膜形成装置のロードロック室２に導入し、排気機構により真空に減圧する。
【００７８】
次に、ウェハ１０を真空搬送室１を介してロードロック室２から前処理加熱室３に移動する。前処理加熱室３ではウェハ１０を例えば４００℃に加熱することにより、ウェハ１０の表面に吸着している水分や気体分子を除去する。
【００７９】
次に、ウェハ１０を真空搬送室１を介して前処理加熱室３から前処理スパッタエッチ室４に移動する。前処理スパッタエッチ室ではアルゴンを導入しＲＦ電界を印加してプラズマを生成し、ウェハ１０を例えば−２００Ｖ程度のバイアス下でスパッタエッチを行う。これにより、開孔１４の底面に露出した金属膜１２の表面に形成された自然酸化膜を除去することができる。
【００８０】
次に、ウェハ１０を真空搬送室１を介してＴｉスパッタ成膜室５に移動する。Ｔｉスパッタ成膜室５ではウェハ１０をウェハステージ８に搭載した後、ウェハ保持機構８ｇである静電チャックに電圧を印加し、ウェハ１０をウェハステージ８に静電吸着する。
【００８１】
次に、ウェハステージ８の冷却ガス吹き出し口８ｈからアルゴンガスを導入する。この時のウェハ１０とウェハステージ８の間の空隙部でのアルゴンガスの圧力は、例えば１ｔｏｒｒ以上とすることができる。ここでウェハステージ８は冷媒温度調節器８ｂを用いた熱交換と抵抗加熱ヒータ８ｅおよび熱電対８ｆとの併用により、例えば−１０℃程度に温度を調整し保持することが可能となっている。したがってアルゴンガスによる熱伝達の作用を利用し、例えばガス導入後６０秒以降のウェハ１０の温度を、例えば０℃に保つことが可能となっている。
【００８２】
次に、ウェハ１０の温度が所望の温度である０℃に達した後、例えばウェハ１０の直径程度の間隔をあけてウェハ１０と対向に配置したＴｉターゲット５ａに電力を印加し、Ｔｉのスパッタリングを開始する。ここで、成膜条件は、例えば、圧力を0.５ｔｏｒｒ、電力密度を１４Ｗ／ｃｍ2 、成膜速度を２００ｎｍ／ｍｉｎ、成膜量を２００ｎｍとすることができる。ウェハ１０に達したＴｉ粒子（クラスタ）はウェハ１０上に堆積し、Ｔｉ膜１５となるがＴｉターゲット５ａとウェハ１０の間隔が広いためＴｉ粒子のウェハ１０への入射方向がウェハ１０に垂直な方向に偏っているのに加えて、ウェハ１０の温度が低いため、Ｔｉ粒子の泳動や粒成長が抑制され、図６に示すように開孔１４内部で良好な段差被覆性を示す。
【００８３】
次に、ウェハ１０を真空搬送室１を介してＡｌスパッタ成膜室６に移動する。Ａｌスパッタ成膜室６では、ウェハ１０をウェハステージ８に搭載した後、静電チャック等のウェハ保持機構８ｇに電圧を印加し、ウェハ１０をウェハステージ８に静電吸着する。
【００８４】
次に、ウェハステージ８の冷却ガス吹き出し口８ｈからアルゴンガスを導入する。この時のウェハ１０とウェハステージ８との間の空隙部でのアルゴンガスの圧力は、例えば１ｔｏｒｒ以上とすることができる。ここでウェハステージ８は冷媒温度調節器８ｂを用いた熱交換と抵抗加熱ヒータ８ｅおよび熱電対８ｆとの併用により、例えば−１０℃程度に温度を調整し保持することが可能となっている。したがってアルゴンガスによる熱伝達の作用を利用し、例えばガス導入後６０秒以降のウェハ１０の温度を、例えば０℃に保つことが可能となっている。ウェハ１０の温度が所望の温度である０℃に達した後、例えばウェハ１０の直径程度の間隔をあけてウェハ１０と対向に配置したＡｌターゲット６ａに電力を印加し、Ａｌのスパッタリングを開始する。ここで、成膜条件は、例えば、圧力を0.５ｔｏｒｒ、電力密度を１４Ｗ／ｃｍ2 、成膜速度を２００ｎｍ／ｍｉｎ、成膜量を４００ｎｍとすることができる。ウェハ１０に達したＡｌ等のターゲット粒子（クラスタ）は、ウェハ１０上に堆積し、Ａｌ膜１６となるが、Ａｌターゲット６ａとウェハ１０との間隔が広いため、Ａｌ等の粒子のウェハ１０への入射方向がウェハ１０に垂直な方向に偏っているのに加えて、ウェハ１０の温度が低いため、Ａｌ等のターゲット粒子の泳動や粒成長が抑制され、図７に示すように開孔１４内部で良好な段差被覆性を示す。なお、比較のため、一般的な高温成膜装置で堆積した場合の高温スパッタＡｌ膜の段差被覆性を図９に示す。
【００８５】
次に、ウェハ１０を真空搬送室１を介してＡｌスパッタ成膜室７に移動する。この時、真空搬送室１およびＡｌスパッタ成膜室７の真空度と搬送時間は搬送中に基板表面に入射する水や酸素などの不純物がＡｌ膜表面を被覆してしまわないよう非酸化性雰囲気に制御することができる。本実施の形態の場合の具体的な数値として、真空度は例えば１×１０-7ｔｏｒｒ以下、搬送時間は例えば３０秒以内とすることができる。また、前記のような非酸化性雰囲気とする代わりに水素ガスで置換する等、還元性雰囲気とすることもできる。
【００８６】
Ａｌスパッタ成膜室７ではウェハ１０をウェハステージ１１に搭載した後、ウェハ保持機構１１ｇである静電チャックに電圧を印加し、ウェハ１０をウェハステージ１１に静電吸着する。
【００８７】
次に、ウェハステージ１１の温調用ガス吹き出し口１１ｈからアルゴンガスを導入する。この時のウェハ１０とウェハステージ１１との間の空隙部でのアルゴンガスの圧力は、例えば１ｔｏｒｒ以上とすることができる。ここでウェハステージ１１は、抵抗加熱ヒータ１１ｅ、熱電対１１ｆ、冷却水１１ｄの併用により、例えば４２０℃程度に温度を調整し保持することが可能となっている。したがってアルゴンガスによる熱伝達の作用を利用し、例えばガス導入後６０秒以降のウェハ１０の温度を、例えば４００℃に保つことができる。
【００８８】
ウェハ１０の温度が所望の温度である４００℃に達した後、例えばウェハ１０の直径の１／４程度の間隔をあけてウェハ１０と対向に配置したＡｌターゲット７ａに電力を印加し、Ａｌのスパッタリングを開始する。ここで、成膜条件は、例えば、圧力を1.５ｔｏｒｒ、電力密度を１４Ｗ／ｃｍ2 、成膜速度を２００ｎｍ／ｍｉｎ、成膜量を４００ｎｍとすることができる。ウェハ１０に達したＡｌ等のターゲット粒子（クラスタ）はウェハ１０上に堆積しＡｌ膜１７となるが、ウェハ１０の温度が高いため、Ａｌ等のターゲット構成原子の泳動や粒成長が加速され、その結果開孔１４内部に流動性を持ったＡｌ粒子が引きずりこまれ、図８に示すように開孔１４内部を埋め込むことができる。
【００８９】
なお、比較のため、一般的な成膜装置で堆積した場合のＡｌ膜の開孔１４の埋込の状況を図１０に示す。
【００９０】
その後、ウェハ１０を真空搬送室１を介してＡｌスパッタ成膜室７からロードロック室２に移動する。ロードロック室２を大気開放してウェハ１０を取り出し、本実施の形態の工程は終了する。
【００９１】
上記した本実施の形態の半導体集積回路装置およびその製造方法によれば、以下のような効果が得られる。
【００９２】
（１）ウェハ１０を０℃に保持しつつＴｉおよびＡｌをスパッタ成膜するため、ウェハ１０の表面の薄膜が堆積される被形成表面でのそれらスパッタ粒子（クラスタ）の泳動が抑制され、表面被覆率が高く、表面平坦性に優れたスパッタ薄膜を形成することができる。
【００９３】
（２）ウェハ１０を０℃に保持しつつＴｉおよびＡｌをスパッタ成膜した後に、ウェハ１０を４００℃程度の温度に保持した状態でＡｌスパッタ薄膜を形成するため、開孔１４の埋込を行うことができる。
【００９４】
（３）ウェハ１０の移動に際して、真空搬送室１およびＡｌスパッタ成膜室７の真空度と搬送時間を、搬送中に基板表面に入射する水や酸素などの不純物がＡｌ膜１６の表面を被覆してしまわないよう非酸化性雰囲気になるよう制御するため、Ａｌ膜１６の表面を酸化することがない。
【００９５】
（４）配線を構成するＴｉ膜１５およびＡｌ膜１６が、基板を室温以下の温度に保持した状態でスパッタ成膜されたものであるため、開孔１４内のＴｉ膜１５およびＡｌ膜１６の表面被覆率が高く、表面平坦性にも優れたものとなる。このため、半導体集積回路装置の信頼性および製造歩留まりを高くすることができる。
【００９６】
（５）配線を構成するＡｌ膜１７が、基板を４００℃程度の高い温度に保持した状態でスパッタ成膜されたものであるため、Ａｌ膜１７の導電率は十分高く、半導体集積回路装置の基本的な性能を発揮することができる。
【００９７】
なお、Ａｌ膜１７を高温スパッタ成膜した後、１００気圧以上の高い圧力、たとえば４００〜５００気圧の下に保持してもよい。その場合、開孔１４に存在するボイドを前記圧力により押しつぶし、ボイドを消滅させることができる。このとき、低温スパッタによるＴｉ膜１５およびＡｌ膜１６の存在は、圧力および温度の条件を緩和し、より低い圧力より低い温度でボイドを消滅させることが可能となるという効果に寄与する。
【００９８】
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【００９９】
たとえば、上記実施の形態では、低温スパッタ膜としてＴｉ膜１５およびＡｌ膜１６を例示したが、Ｔｉ膜１５の代わりにＴｉＮ膜、Ｔｉ／ＴｉＮ積層膜あるいはＷ膜であってもよい。この場合、前記薄膜は低温スパッタ膜であることを要する。また、Ｔｉ膜１５は無くてもよい。この場合、低温スパッタＡｌ膜１６は必要である。
【０１００】
また、上記実施の形態では、高温スパッタによるＡｌ膜１７によって、開孔１４を埋め込む例を説明したが、ＣＶＤ法を用いたＷ膜、ハイドープポリシリコン膜によって開孔１４を埋め込んでもよい。
【０１０１】
上記低温スパッタ膜と開孔１４の埋込膜との組合せは、任意の組合せでよいことはいうまでもない。
【０１０２】
また、Ａｌ膜１６，１７は、Ａｌ合金をターゲットとするＡｌ合金膜であってもよい。
【０１０３】
以上の説明では、主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野である半導体集積回路装置とその製造方法に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、たとえば、一般の薄膜の形成全般にも適用することが可能である。
【０１０４】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【０１０５】
（１）基板を冷却することが可能となり、表面被覆率が高く、表面平坦性に優れたスパッタ膜を得ることができる。
【０１０６】
（２）０℃以下においても凝固しない冷媒を利用するため、基板を室温以下の温度に保持することができ、より表面被覆率が高く、表面平坦性に優れたスパッタ膜を形成することができる。
【０１０７】
（３）冷媒を用いるため、装置の構造を簡略化することができ、保守等が容易になることに加え、高周波プラズマ等を生成する場合であっても、そのプラズマ発生用の電界に影響されることなく温度制御が可能になる。
【０１０８】
（４）基板を加熱することができるので、従来同様、導電率の高い金属スパッタ膜を得ることができる。
【０１０９】
（５）低温にてスパッタ膜を形成した後、高温にてスパッタ膜を形成することができるため、開孔の埋込の際にボイドを形成しない良好な埋込膜を形成することができる。
【０１１０】
（６）１００気圧以上の加圧機構を備えるため、開孔等に堆積した埋込膜にボイドを有する場合であっても、この圧力の力学的な作用により、ボイドを消滅させることが可能となる。
【０１１１】
（７）基板の移動に際して、非酸化性雰囲気になるよう制御するため、スパッタ膜が酸化されることを抑制することができる。
【０１１２】
（８）表面被覆率が高く、表面平坦性にも優れたスパッタ膜により開孔の接続が行われるので、半導体集積回路装置の信頼性を高くすることができる。また、半導体集積回路装置の製造プロセスの安定性が向上し、半導体集積回路装置の良品率が向上する。さらに、開孔の埋込みに際して、従来法に比べ1.５倍程度のアスペクト比の高い開孔の埋込みが達成でき、従来と同様のアスペクト比の開孔の埋込みに適用して、製造歩留まりを約２倍向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である薄膜形成装置の成膜室の一例を示した側面断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態である薄膜形成装置の成膜室の別の一例を示した側面断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態である薄膜形成装置の一例を示した上面図である。
【図４】本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の一例を示した断面図である。
【図５】本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造工程の一例を示した要部断面図である。
【図６】図５における開孔部分の製造工程の一例を示した要部断面図である。
【図７】図５における開孔部分の製造工程の一例を示した要部断面図である。
【図８】図５における開孔部分の製造工程の一例を示した要部断面図である。
【図９】開孔部分を一般的な高温薄膜形成装置を用いて製造した場合の高温スパッタ膜の一例を示した要部断面図である。
【図１０】開孔部分を一般的な高温薄膜形成装置を用いて製造した場合の高温スパッタ膜の一例を示した要部断面図である。
【符号の説明】
１  真空搬送室
１ａ  ロボットアーム
１ｂ  ゲートバルブ
２  ロードロック室
３  前処理加熱室
４  前処理スパッタエッチ室
５  Ｔｉスパッタ成膜室
５ａ  Ｔｉターゲット
６  Ａｌスパッタ成膜室
６ａ  Ａｌターゲット
７  Ａｌスパッタ成膜室
７ａ  Ａｌターゲット
８  ウェハステージ
８ａ  流路
８ｂ  冷媒温度調節器
８ｃ  断熱材
８ｄ  冷媒
８ｅ  抵抗加熱ヒータ
８ｆ  熱電対
８ｇ  ウェハ保持機構
８ｈ  冷却ガス吹き出し口
１０  ウェハ
１０ａ  絶縁膜
１１  ウェハステージ
１１ａ  流路
１１ｂ  冷却水温度調節器
１１ｄ  冷却水
１１ｅ  抵抗加熱ヒータ
１１ｆ  熱電対
１１ｇ  ウェハ保持機構
１１ｈ  温調用ガス吹き出し口
１２  金属膜
１３  層間絶縁膜
１４  開孔
１５  Ｔｉ膜
１６，１７  Ａｌ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】
0003793273.tif 000008
【図８】
0003793273.tif 000009
【図９】
0003793273.tif 000010
【図１０】
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