JP4017310B2

JP4017310B2 - 成膜装置

Info

Publication number: JP4017310B2
Application number: JP2000082616A
Authority: JP
Inventors: 進桜木
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-03-23
Filing date: 2000-03-23
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2020-03-23
Also published as: JP2001262323A

Description

【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、プラズマを用いてイオンプレーティングを行う成膜装置に関し、特に金属配線膜等を配向性良く形成するのに適した成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の成膜装置として、圧力勾配型のプラズマガンからのプラズマビームをハースに導き、ハース上の蒸発ルツボ中の蒸着物質を蒸発・イオン化し、このように蒸発・イオン化した蒸着物質をハースと対向して配置された基板の表面に付着させるイオンプレーティング装置が知られている。
【０００３】
特開平７−１３８７４３号公報には、この種のイオンプレーティング装置において、ハース内に配置された棒磁石とハースの周囲に同心に配置された永久磁石とからなる入射ビーム方向調整手段を組み込むことによってハースの入射面上方にカスプ磁場を形成するものが開示されている。このイオンプレーティング装置では、ハース上方のカスプ磁場によってハースに入射するプラズマビームを修正し、プラズマビームをハースの真上から直線的に入射させるので、基板の表面に形成される膜の厚みを均一にすることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のイオンプレーティング装置では、従来の成膜装置に比較して高い結晶配向性を有する金属配線膜等が得られている。しかし、成膜前に基板の表面に不純物ガス等が吸着されていることに起因して、この吸着物質が膜中に取り込まれ、不純物量を増加させるだけでなく、結晶の配向性をも劣化させている。
【０００５】
そこで、本発明は、これらの吸着物質による影響を排除し、より高い結晶配向性を有し電気特性に優れる配線膜等を提供することができる成膜方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の成膜装置において実施し得る成膜方法は、基板に所定の処理用バイアス電圧を印加することによってプラズマ中のイオンを基板に入射させ、この基板を表面処理する第１工程と、第１工程の後に、成膜室中に配置された材料蒸発源に向けてプラズマビームを供給することによって材料蒸発源の膜材料を蒸発させて基板の表面に付着させる第２工程とを備える。
【０００７】
上記方法では、第１工程で、基板に所定の処理用バイアス電圧を印加することによってプラズマ中のイオンを基板に入射させ、この基板を表面処理するので、基板の表面に化学吸着したガス成分等を簡易・確実に除去することができる。よって、第２工程で、清浄な基板上に配向性が高く良好な電気特性を有する膜を形成することができる。
【０００８】
また、上記方法の好ましい態様では、第２工程中に、基板に所定の制御用バイアス電圧を印加することによって成膜の進行を制御する工程を含む。
【０００９】
この場合、基板表面に形成された膜のイオンによるスパッタと基板表面への膜材料の付着とを適宜バランスさせつつ成膜を進行させることができるので、基板上の溝や孔への膜材料の埋込みが確実なものとなる。
【００１０】
また、上記方法の好ましい態様では、イオンが、Ａｒ、Ｈ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、及びＸｅのうちの少なくとも一種を含むものであり、かつ、５〜２００ｅＶのエネルギーを有することを特徴とする。
【００１１】
この場合、基板のクリーニングに適したイオンをクリーニングに必要なエネルギーで基板に入射させることができる。
【００１２】
また、上記方法の好ましい態様では、第２工程で、材料蒸発源を保持するハースの近接した上方の磁界を制御しつつ、プラズマビームを圧力勾配型のプラズマガンからハースに向けて供給する。
【００１３】
この場合、圧力勾配型のプラズマガンから高い密度でハースに入射するプラズマビームを磁場制御部材によってカスプ状磁場等で修正してより均一な厚みの膜を迅速に形成することができる。
【００１４】
また、本発明の成膜装置は、プラズマビームを成膜室中に供給するプラズマ源と、膜材料を収容可能な材料蒸発源を有するとともに、成膜室中に配置されてプラズマビームを導くハースと、成膜室中にハースに対向するように基板を支持する基板支持装置と、材料蒸発源に向けてプラズマビームが供給されて成膜が行われる前に、基板支持装置に支持された基板にバイアス電圧を印加することによってプラズマ源からのプラズマビーム中のイオンをこの基板に入射させて表面処理を行わせる電位制御手段とを備える。
【００１５】
上記装置では、電位制御手段が、材料蒸発源に向けてプラズマビームを供給して成膜を行う前に、基板支持装置に支持された基板にバイアス電圧を印加することによってプラズマ源からのプラズマビーム中のイオンをこの基板に入射させて表面処理を行わせるので、成膜前の基板の表面に化学吸着したガス成分等を簡易・確実に除去することができる。よって、清浄な基板上に配向性が高く良好な電気特性を有する膜を形成することができる。
【００１６】
また、上記装置の好ましい態様では、磁石及びコイルの少なくとも一方をハースの周囲に環状に配置してなるとともにハースの近接した上方の磁界を制御する磁場制御部材と、この磁場制御部材の近接した上方に配置される補助陽極とをさらに備え、プラズマ源が、圧力勾配型のプラズマガンである。
【００１７】
この場合、磁場制御部材によってハースに入射するプラズマビームをカスプ状磁場等で修正してより均一な厚みの膜を迅速に形成することができる。さらに、補助陽極を利用してハースへのプラズマビームの入射を制御することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態に係る成膜装置の全体構造を概略的に説明する図である。この成膜装置は、金属配線膜を形成するためのもので、成膜室である真空容器１０と、真空容器１０中にプラズマビームＰＢを供給するプラズマ源であるプラズマガン３０と、真空容器１０内の底部に配置されて成膜時にプラズマビームＰＢが入射する陽極部材５０と、真空容器１０上部に配置されて基板Ｗを保持する保持機構６０と、これらの動作を統括制御する主制御装置８０とを備える。
【００１９】
プラズマガン３０は、プラズマビームＰＢをＤＣアーク放電によって発生する圧力勾配型のプラズマガンであり、その本体部分は、真空容器１０の側壁に設けられた筒状部１２に装着されている。この本体部分は、陰極３１によって一端が閉塞されたガラス管３２からなる。ガラス管３２内には、モリブデンＭｏで形成された円筒３３が陰極３１に固定されてガラス管３２と同心に配置されており、この円筒３３内には、ＬａＢ₆で形成された円盤３４とタンタルＴａで形成されたパイプ３５とが内蔵されている。ガラス管３２の両端部のうち陰極３１とは反対側の端部と、真空容器１０から延びる筒状部１２の端部との間には、第１及び第２中間電極４１、４２が同心状に直列に配置されている。一方の第１中間電極４１内には、プラズマビームＰＢを収束するための環状永久磁石４４が内蔵されている。第２中間電極４２内にも、プラズマビームＰＢを収束するための電磁石コイル４５が内蔵されている。なお、筒状部１２の周囲には、陰極３１側で発生して第１及び第２中間電極４１、４２まで引き出されたプラズマビームＰＢを真空容器１０内に導くステアリングコイル４７が環状に設けられている。
【００２０】
このプラズマガン３０を動作させると、陰極３１と真空容器１０内のハース５１との間で放電が生じ、プラズマビームＰＢが生成される。このプラズマビームＰＢは、ステアリングコイル４７と補助陽極５２内の永久磁石５５とにより決定される磁界に案内されてハース５１に到達する。
【００２１】
プラズマガン３０の動作状態は、ガン駆動装置４８によって制御されている。このガン駆動装置４８は、陰極３１への給電をオン・オフしたりこれへの供給電圧等を調整することができ、さらに第１及び第２中間電極４１、４２、電磁石コイル４５、及びステアリングコイル４７への給電を調整する。このようなガン駆動装置４８によって、真空容器１０中に供給されるプラズマビームＰＢの状態が制御される。
【００２２】
なお、最も内心側に配置されるパイプ３５は、プラズマビームＰＢのもととなるＡｒ等のキャリアガスをプラズマガン３０中に導入するためものであり、流量計３７及び流量調節弁３８を介してガス供給源３９に接続されている。流量計３７によって検出されたキャリアガスの流量は主制御装置８０で監視されており、流量調節弁３８によるキャリアガスの流量調整等に利用される。なお、真空容器１０のプラズマガン３０に対向する側面には、真空容器１０内を所望の圧力に減圧するため、真空ゲート７６を介して排気ポンプ７７が取り付けられている。
【００２３】
真空容器１０中の下部に配置された陽極部材５０は、プラズマビームＰＢを下方に導く主陽極であるハース５１と、その周囲に配置された環状の補助陽極５２とからなる。
【００２４】
前者のハース５１は、熱伝導率の良い導電性材料で形成されるとともに接地された真空容器１０に図示を省略する絶縁物を介して支持されている。このハース５１は、陽極電源装置５８によって適当な正電位に制御されており、プラズマガン３０を出射して磁界に案内されて来たプラズマビームＰＢを下方に吸引する。なお、ハース５１は、プラズマガン３０からのプラズマビームＰＢ中の電子が入射する中央上部の凹部に、ルツボ状の材料蒸発源であるハース本体５３を有している。ハース本体５３内部には、膜材料である銅等の金属が融液状となって溜まっている。
【００２５】
後者の補助陽極５２は、ハース５１の周囲にこれと同心に配置された環状の容器により構成されている。この環状容器内には、フェライト等で形成された環状の永久磁石５５と、これと同心的に積層されたコイル５６とが収納されている。これら永久磁石５５及びコイル５６は、磁場制御部材であり、ハース５１の直上方にカスプ状磁場を形成する。これにより、ハース５１に入射するプラズマビームＰＢの向き等を修正することができる。
【００２６】
補助陽極５２内のコイル５６は電磁石を構成し、陽極電源装置５８から給電される。この場合、励磁されたコイル５６における中心側の磁界の向きは、永久磁石５５により発生する中心側の磁界と同じ向きになるように構成される。陽極電源装置５８は、コイル５６に供給する電流を変化させることができ、ハース５１に入射するプラズマビームＰＢの向きの微調整が可能になる。
【００２７】
補助陽極５２の容器も、ハース５１と同様に熱伝導率の良い導電性材料で形成される。この補助陽極５２は、ハース５１に対して図示を省略する絶縁物を介して取り付けられている。陽極電源装置５８は、補助陽極５２、特にその上部の補助陽極本体に印加する電圧変化させることによって、ハース本体５３の上方の電界を制御できるようになっている。
【００２８】
真空容器１０中の上部に配置される保持機構６０は、ハース５１の上方において成膜面を下側にして基板Ｗを保持するための基板支持装置である基板ホルダ６１と、この基板ホルダ６１上部に固定されて基板Ｗを裏面側から温度調節する温度調節装置６２とを備える。基板ホルダ６１は、真空容器１０に対して絶縁された状態で電位制御手段である基板電源装置６８から給電されており、基板Ｗの表面を適当なタイミングで、ゼロ電位の真空容器１０に対して負電位や正電位にバイアスしたり、フロートな状態に維持する。温度調節装置６２は、温調制御装置６９によって制御されており、この温調制御装置６９は、温度調節装置６２に内蔵したヒータに給電し、或いは内蔵した配管に冷却媒体を供給して、温度調節装置６２更には基板ホルダ６１を所望の温度に保持する。
【００２９】
以下、図１の成膜装置の動作について、図２を参照しつつ説明する。まず、基板Ｗを真空容器１０内に搬入し、成膜面を下側にした状態で基板ホルダ６１に固定する（ステップＳ１）。この基板Ｗは、例えばＳｉウェハ上に適当なパターンのＳｉＯ₂層を形成したもので、ＳｉＯ₂層の孔や溝を含めた表面全体にＴａＮ等からなるバリア膜を薄く形成したものある。
【００３０】
次に、プラズマガン３０を適宜動作させて基板Ｗの被成膜面をクリーニングする（ステップＳ２）。つまり、流量調節弁３８によってパイプ３５から真空容器１０中に適当量のＡｒイオンを供給しつつ、ガン駆動装置４８によって陰極３１に４０Ａ程度の電流を供給する。このような状態で、基板電源装置６８によって基板Ｗの被成膜面の電位を０〜−２００Ｖ程度、好ましくは−５〜−１００Ｖ程度、すなわち処理用バイアス電圧に維持する。これにより、基板Ｗの被成膜面がクリーニングされる。この際、温度調節装置６２によって基板Ｗの温度を適宜調節することもできる。なお、処理用バイアス電圧が−５Ｖより大きくなると、基板Ｗの種類や表面状態によっても異なるが、表面クリーニングの効果が十分に得らなくなり、後に形成する金属配線膜の密着性が徐々に悪くなる。逆に、処理用バイアス電圧が−１００Ｖより小さくなると、基板Ｗに入射するイオンのエネルギーが増大して基板Ｗの表面にダメージが徐々に生じ易くなる。
【００３１】
上記のようにＡｒガスをキャリアとして用いた場合、プラズマポテンシャルが＋１０〜＋２０Ｖとなる。したがって、基板電源装置６８によって基板Ｗの被成膜面の電位を例えば−５０Ｖとすると、Ａｒイオンは、５５〜６５ｅＶ程度のエネルギーをもって基板Ｗに衝突し、基板Ｗの被成膜面に吸着している原子を放出させる。
【００３２】
なお、ガスの吸着には物理吸着と化学吸着とがあり、このうち基板Ｗに物理吸着されたガスは真空中でこの基板Ｗを２００〜３００℃程度に過熱することによって比較的短時間で除去可能であるが、化学吸着されたガスは過熱のみでは簡単に放出しない。このため、比較的低エネルギーのＡｒイオンを基板Ｗの被成膜面に入射させるクリーニングを行うことで、基板Ｗの被成膜面に成膜前に化学吸着されているガスを迅速かつ効率的に除去することができ、しかも基板Ｗの被成膜面にダメージを与えることがない。
【００３３】
次に、プラズマガン３０からのプラズマビームＰＢの発生を増大させてハース５１に供給し基板Ｗ上に金属配線膜を形成する（ステップＳ３）。つまり、流量調節弁３８によってパイプ３５から真空容器１０中に適当量のＡｒイオンを供給しつつ、ガン駆動装置４８によって陰極３１に１００Ａ程度の電流を供給して高密度のプラズマを形成し、得られたプラズマビームＰＢをハース５１側に導く。ハース本体５３に収納された蒸発物質（膜材料）は、プラズマビームＰＢにより加熱されて蒸気としてハース本体５３から出射する。この蒸気は、プラズマビームＰＢによりイオン化され、ハース５１に対向して配置された基板Ｗの表面に付着し均一な被膜が形成される。この際、温度調節装置６２によって基板Ｗの温度を適宜調節することによって、基板Ｗ上に形成される金属配線膜の状態をある程度制御することができる。
【００３４】
なお、上記プラズマガン３０を用いることにより、強力なプラズマビームを連続的に安定して供給することができ、基板Ｗ上に高品質の金属配線膜が迅速に形成されることになる。また、永久磁石５５等によってハース５１の上方にカスプ磁場を形成しハース５１に入射するプラズマビームを修正するので、基板Ｗ上により均一な厚さの膜が形成されることになる。
【００３５】
このような膜形成の際、適当なタイミングで、適当な負のバイアス電圧、すなわち制御用バイアス電圧を基板Ｗに印加することができる。これにより、Ａｒイオンによるスパッタを併用した多様な成膜が可能になり、基板Ｗ上の孔や溝の確実な埋込みが可能となる。
【００３６】
基板Ｗの表面に所望の厚みの金属配線膜が形成された段階でプラズマガン３０の動作を停止させ、基板Ｗを真空容器１０外に搬出する（ステップＳ４）。
【００３７】
以上のようにして、基板Ｗ上には、ステップカバレージが良好でボイド等が形成されにくく、かつ、結晶配向性の良い金属配線膜が形成される。例えば、面心立方格子をとる多くの金属導電材料では、バリア膜の表面状態（結晶性、凹凸）に拘わらず（１１１）面を上側として高い配向性を有する膜を形成できる。このように、高密度で結晶配向性が良い金属配線膜は、高い導電性を示すだけでなく、エレクトロマイグレーションに対する耐性が高く、高品質の配線を提供することができる。
【００３８】
図３は、具体的な実施例で得られた金属配線材料膜の表面のＸ線回折スペクトルを示すグラフである。この金属配線膜は、Ｓｉウェハ上に平坦に積層したＳｉＯ₂層及びＴａＮ層の上に堆積されたものである。
【００３９】
以下の表１は、図３の金属配線膜を形成する際の諸条件を説明する図である。実施例の基板Ｗに施す表面クリーニングは、プラズマガン３０の陰極３１に供給する電流を４０Ａ程度とし、基板Ｗのバイアス電圧を−６５Ｖとして、１８０秒間継続的に行った。成膜の本工程である膜形成は、表面クリーニングを行った実施例もそうでない比較例も同一の条件とした。すなわち、プラズマガン３０の陰極３１に供給する電流を１００Ａ程度とし、基板Ｗのバイアス電圧を０Ｖとして、２２分間継続的に金属配線材料を堆積した。Ｘ線回折の測定結果は、クリーニングのない場合も高い結晶配向性を示すが、表面クリーニングを行った場合には、これよりも３倍以上のより高い（１１１）結晶配向性を有することを示している。
【００４０】
〔表１〕

以上実施形態に即してこの発明を説明したが、この発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、プラズマガン３０の陰極３１に供給する電流を膜形成時よりも小さくしてハース５１中の膜材料の蒸発を抑えつつ表面クリーニングを行っているが、補助陽極５２に印加する電圧を調節することによってプラズマビームＰＢを一時的に補助陽極５２に導くことによっても、ハース５１中の膜材料の蒸発を抑えつつ表面クリーニングを行うことができる。
【００４１】
また、Ａｒイオンによる表面クリーニングを行っているが、Ａｒイオン以外のイオンを用いて表面クリーニングを行うこともできる。具体的には、Ｈ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ等を単独で、或いは組み合わせて用いることができる。この際、基板Ｗに適当なバイアス電圧を印加し、５〜２００ｅＶ、好ましくは１０〜１００ｅＶのエネルギーを有するイオンとして被成膜面に入射させることで、後の工程で得られる膜を高い配向性を有するものとできる。
【００４２】
また、上記実施形態では、Ｃｕの成膜に先立ってイオンによる表面クリーニングを行っているが、本実施形態のイオンによる表面クリーニングをＣｕ以外の成膜にも利用できることは言うまでもない。例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ等の金属膜、さらに半導体膜の成膜に先立って、基板Ｗにバイアス電圧を印加した状態でプラズマを供給することで、その後に形成したＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ膜等の配向性を高めることができる。
【００４３】
また、プラズマイオンによる表面クリーニングの時間も、実験的には数秒〜数分で十分な効果を得ることを確認しているが、膜材料や基板の種類、処理用バイアス電圧等の各種条件に応じて適宜設定できる。
【００４４】
また、真空容器１０内で、プラズマイオンによる表面クリーニングを行う処理位置と、ハース５１に対向して基板Ｗ上への膜形成を行う成膜位置とを分離することができる。さらに、プラズマイオンによる表面クリーニングと、基板Ｗ上への膜形成とを別室で行うことも可能である。ただし、表面クリーニングと膜形成とを同じチャンバ内で行い、成膜用のプラズマガン３０を表面クリーニングに利用することで、より簡易で効率的な処理が可能になる。
【００４５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の方法では、第１工程で、基板に所定の処理用バイアス電圧を印加することによってプラズマ中のイオンを基板に入射させ、この基板を表面処理するので、基板の表面に化学吸着したガス成分等を簡易・確実に除去することができる。よって、第２工程で、清浄な基板上に配向性が高く良好な電気特性を有する膜を形成することができる。
【００４６】
また、本発明の成膜装置によれば、電位制御手段が、材料蒸発源に向けてプラズマビームを供給して成膜を行う前に、基板支持装置に支持された基板にバイアス電圧を印加することによってプラズマ源からのプラズマビーム中のイオンをこの基板に入射させて表面処理を行わせるので、成膜前の基板の表面に化学吸着したガス成分等を簡易・確実に除去することができる。よって、清浄な基板上に配向性が高く良好な電気特性を有する膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の成膜装置の全体構造を説明する図である。
【図２】実施形態の成膜方法を概念的に説明する図である。
【図３】得られた膜の特性を説明する図である。
【符号の説明】
１０真空容器
３０プラズマガン
３９ガス供給源
４７ステアリングコイル
４８ガン駆動装置
５０陽極部材
５１ハース
５２補助陽極
５８陽極電源装置
６０保持機構
６１基板ホルダ
６２温度調節装置
６８基板電源装置
６９温調制御装置
７７排気ポンプ
８０主制御装置

Claims

プラズマビームを成膜室中に供給するプラズマ源と、
膜材料を収容可能な材料蒸発源を有するとともに、前記成膜室中に配置されて前記プラズマビームを導くハースと、
前記成膜室中に前記ハースに対向するように基板を支持する基板支持装置と、
前記材料蒸発源に向けて前記プラズマビームが供給されて成膜が行われる前に、前記基板支持装置に支持された前記基板にバイアス電圧を印加することによって前記プラズマ源からのプラズマビーム中のイオンを当該基板に入射させて表面処理を行わせる電位制御手段とを備える成膜装置。
磁石及びコイルの少なくとも一方を前記ハースの周囲に環状に配置してなるとともに前記ハースの近接した上方の磁界を制御する磁場制御部材と、当該磁場制御部材の近接した上方に配置される補助陽極とをさらに備え、前記プラズマ源は、圧力勾配型のプラズマガンであることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。