專(zhuān)利名稱(chēng)：等離子體濺射成膜方法及成膜裝置的制作方法
技術(shù)區(qū)域本發(fā)明涉及通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體晶片等被處理體的上面和在該上面開(kāi)口的凹部的表面進(jìn)行等離子體濺射而形成金屬薄膜用的改良的成膜方法及成膜裝置。
背景技術(shù)：
一般在半導(dǎo)體器件的制造過(guò)程中，反復(fù)在半導(dǎo)體晶片上進(jìn)行成膜處理、圖形蝕刻處理等各種處理，以制造所希望的半導(dǎo)體器件。從進(jìn)一步要求半導(dǎo)體器件的高集成化及高細(xì)微化出發(fā)，使線(xiàn)寬和孔徑越來(lái)越細(xì)微化。所以，由于各種尺寸的細(xì)微化，傾向于使用電阻更小且廉價(jià)的Cu作為配線(xiàn)材料和填充材料(日本特開(kāi)2000-77365號(hào)公報(bào))。當(dāng)使用Cu作為配線(xiàn)材料和填充材料時(shí)，考慮到密著性等，一般使用鉭金屬膜、氮化鉭膜等作為其下面的阻擋層。
在形成該阻擋層時(shí)，首先，在等離子體處理裝置內(nèi)，在晶片上面和在該上面開(kāi)口的凹部的表面形成氮化鉭膜(下面稱(chēng)為“TaN”膜)作為基底層。接著，在同一等離子體濺射裝置內(nèi)，在TaN膜的上面形成鉭膜(下面稱(chēng)為“Ta膜”)。然后，在該阻擋層的表面形成由Cu膜構(gòu)成的薄種子膜。接著，通過(guò)對(duì)晶片的全體表面(上面及凹部的表面)實(shí)施鍍Cu處理，而將凹部?jī)?nèi)填充。
圖8是采用一般等離子體濺射方法成膜的半導(dǎo)體晶片的凹部周邊的部分截面圖。在該半導(dǎo)體晶片S上，以上面開(kāi)口的方式形成對(duì)應(yīng)于通孔(via hole)、穿孔(through hole)、溝槽(槽(trench)、雙鑲嵌(DualDamascene)構(gòu)造)等的凹部2。該凹部2隨著設(shè)計(jì)規(guī)則的細(xì)微化，其深寬比(aspect ratio)變得非常大(例如3～4左右)。例如，凹部2的寬度或者內(nèi)徑達(dá)到0.01μm左右。
在等離子體濺射裝置內(nèi)，在圖8所示的晶片S的表面全體(上面及凹部2的表面)上，大致均勻地形成由TaN膜構(gòu)成的基底層4。在同一等離子體濺射裝置內(nèi)，在基底層4的上面形成由Ta膜構(gòu)成的金屬膜6。在等離體濺射裝置內(nèi)形成基底層4和金屬膜6時(shí)，向載置晶片S的載置臺(tái)施加高頻電壓的偏置電力，進(jìn)行金屬離子的引入。而且，通過(guò)在金屬膜6的表面全體上形成由薄Cu膜構(gòu)成的種子膜并在其上實(shí)施鍍Cu處理，可以利用Cu膜填充凹部2的內(nèi)部。
然而，一般在等離子體裝置內(nèi)進(jìn)行成膜的情況下，如上所述，通過(guò)對(duì)載置半導(dǎo)體晶片的載置臺(tái)施加偏置電力，在晶片表面上引入金屬離子，可以提高成膜速率。這種情況下，如果偏置電壓過(guò)大，則晶片表面會(huì)被為了產(chǎn)生等離子體而導(dǎo)入裝置內(nèi)的放電氣體(即使被等離子體化其自身也不生成沉積物的物質(zhì)的氣態(tài))例如Ar(氬氣)所濺射，使得好不容易沉積的金屬膜被削掉。因此，偏置電力不能被設(shè)置成如此大。
在如上那樣形成由Ta膜構(gòu)成的金屬膜的情況下，具有以圖8所示的狀態(tài)向凹部2內(nèi)形成金屬膜的傾向。即，雖然金屬膜6附著在凹部2內(nèi)的底部和側(cè)壁的上部，但是在金屬膜6位于凹部2開(kāi)口的部分上，產(chǎn)生以?shī)A著開(kāi)口的形狀突出的懸突部分(overhung)8。另外，有時(shí)在凹部2的側(cè)壁下部產(chǎn)生金屬膜6的未形成部分10。其原因是由于濺射產(chǎn)生的金屬離子的直線(xiàn)性弱，所以金屬離子在到達(dá)側(cè)壁下部前碰撞在側(cè)壁上部。因此，即使以后通過(guò)鍍層等以Cu膜填充凹部2，有時(shí)也會(huì)因內(nèi)部沒(méi)有充分填充而產(chǎn)生空隙。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述問(wèn)題，為了有效地將其解決而創(chuàng)造。本發(fā)明的目的在于提供一種等離子體濺射成膜方法及成膜裝置，能夠在開(kāi)口于被處理體上面的凹部的側(cè)壁上均勻地形成金屬膜。
通過(guò)本發(fā)明人對(duì)利用等離子體濺射的成膜方法仔細(xì)研究的結(jié)果表明，控制供給至載置臺(tái)的偏壓電力，使通過(guò)金屬離子的引入進(jìn)行的成膜和通過(guò)放電氣體的等離子體進(jìn)行的濺射蝕刻同時(shí)平衡地發(fā)生，由此，能夠在形成于半導(dǎo)體晶片表面(被處理體的上面)上的非常微小的凹部的側(cè)壁上均勻地形成金屬膜，進(jìn)而獲得本發(fā)明。
因此，本發(fā)明提供一種成膜方法，特征在于，包括
準(zhǔn)備工序，將具有上面和在該上面開(kāi)口的凹部的被處理體載置在真空處理容器內(nèi)的載置臺(tái)上；以及成膜工序，在上述處理容器內(nèi)利用放電氣體的等離子體濺射金屬靶而產(chǎn)生金屬離子，并且向上述載置臺(tái)施加其大小能夠使在上述被處理體的上面通過(guò)上述金屬離子的引入進(jìn)行的金屬膜的沉積和通過(guò)上述放電氣體的等離子體進(jìn)行的濺射蝕刻同時(shí)發(fā)生的偏置電力，使上述金屬膜沉積在上述凹部的側(cè)壁上。
例如，上述金屬膜為鉭膜。
在該成膜方法中，優(yōu)選上述成膜工序中的偏置電力的大小被設(shè)定成，使在上述被處理體的上面通過(guò)上述金屬離子的引入而得到的金屬膜的成膜速率和通過(guò)上述放電氣體的等離子體進(jìn)行的濺射蝕刻的蝕刻速率大致均衡。
在該成膜方法中，在上述準(zhǔn)備工序和上述成膜工序之間，還可以包括在上述被處理體的上面及凹部表面形成由與上述金屬膜不同的物質(zhì)構(gòu)成的基底層的工序。
在這種情況下，優(yōu)選上述成膜工序中的偏置電力的大小被設(shè)定成不對(duì)上述基底層進(jìn)行濺射蝕刻。
另外，在該成膜方法中，在上述準(zhǔn)備工序和上述成膜工序之間，還可以包括在上述被處理體的上面及凹部表面上形成由與上述金屬膜相同的物質(zhì)構(gòu)成的初期金屬膜的工序。
在該成膜方法中，上述成膜工序還可以包括第一子工序，在上述被處理體的上面及凹部表面上形成第一金屬膜；以及第二子工序，在上述第一金屬膜上形成由與上述第一金屬膜不同的金屬構(gòu)成的第二金屬膜。
另外，在該成膜方法中，在上述準(zhǔn)備工序和上述成膜工序之間，還包括在上述被處理體的上面及凹部表面上形成由與上述金屬膜不同的物質(zhì)構(gòu)成的基底層的工序，上述成膜工序在上述第一子工序和上述第二子工序之間還可以包括通過(guò)蝕刻削掉位于上述凹部底部的基底層的第三子工序。
而且，如果有必要在與第一子工序不同的處理容器內(nèi)進(jìn)行第二子工序，那么可以在第一子工序和第二子工序之間進(jìn)一步插入設(shè)置有準(zhǔn)備工序或其他工序。
例如，上述第一金屬膜為鉭膜，上述第二金屬膜為銅膜。
例如，上述基底層為氮化鉭膜。
另外，本發(fā)明提供一種成膜裝置，其特征在于，包括真空處理容器；載置臺(tái)，被設(shè)置在上述處理容器內(nèi)，用于載置具有上面和在該上面開(kāi)口的凹部的被處理體；氣體供給系統(tǒng)，向上述容器內(nèi)供給含有放電氣體的處理氣體；等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)，在上述處理容器中產(chǎn)生上述放電氣體的等離子體；金屬靶，被設(shè)置在上述處理容器內(nèi)，由上述等離子體濺射而產(chǎn)生金屬離子；偏置電源，向上述載置臺(tái)施加偏置電力；以及偏置電源控制器，其控制上述偏置電源，使得向上述載置臺(tái)施加其大小能夠使在上述被處理體的上面通過(guò)上述金屬離子的引入進(jìn)行的金屬膜的沉積和通過(guò)上述放電氣體的等離子體進(jìn)行的濺射蝕刻同時(shí)發(fā)生的偏置電力，使上述金屬膜沉積在上述凹部的側(cè)壁。
在該成膜裝置中，優(yōu)選上述偏置電源控制器控制上述偏置電源，使上述成膜工序中的偏置電力的大小為能夠使在上述被處理體的上面通過(guò)上述金屬離子的引入而得到的金屬膜的成膜速率和通過(guò)上述放電氣體的等離子體進(jìn)行的濺射蝕刻的蝕刻速率大致均衡。
根據(jù)以上的成膜方法及成膜裝置，通過(guò)控制施加于載置臺(tái)的偏置電力，使通過(guò)金屬離子的引入進(jìn)行的金屬膜的沉積和通過(guò)放電氣體的等離子體進(jìn)行的濺射蝕刻均衡地同時(shí)發(fā)生，由此能夠在開(kāi)口于被處理體上面的凹部的側(cè)壁上均勻地形成金屬膜。結(jié)果，通過(guò)進(jìn)行后續(xù)的鍍層處理例如利用Cu等金屬，能夠較好地填充開(kāi)口于被處理體上面的凹部，且不產(chǎn)生空隙。


圖1是本發(fā)明的成膜裝置的一實(shí)施方式的截面示意圖。
圖2是濺射蝕刻的角度依賴(lài)性的示意圖。
圖3是偏置電力與晶片上面的成膜量的關(guān)系的示意圖。
圖4是以(A)～(E)各工序表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的、半導(dǎo)體晶片的凹部周邊縱向截面圖。
圖5是偏置電力和工序壓力與金屬離子的垂直性的關(guān)系的示意圖。
圖6是以(A)～(D)各工序表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式一部分的、半導(dǎo)體晶片的凹部周邊縱向截面圖。
圖7是以(A)～(E)各工序表示本發(fā)明的第三實(shí)施方式的、半導(dǎo)體晶片的凹部周邊縱向截面圖。
圖8是用一般等離子體濺射方法成膜的半導(dǎo)體晶片的凹部周邊的縱向截面示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面，基于附圖，詳細(xì)闡述本發(fā)明的成膜方法及成膜裝置的一實(shí)施方式。
圖1是本發(fā)明成膜裝置的一實(shí)施例的截面示意圖。此處，以ICP(Inductively Coupled Plasma電感耦合等離子體)型等離子體濺射裝置作為成膜裝置為例進(jìn)行說(shuō)明。該成膜裝置12具有例如由鋁成形為中空?qǐng)A柱狀的真空處理容器14。該處理容器14接地。處理容器14在其底部16設(shè)有排氣口18。真空泵68通過(guò)節(jié)流閥66連接在排氣口18上。
在該處理容器14中設(shè)有例如由鋁制成的圓板狀的載置臺(tái)20。在載置臺(tái)20的上面設(shè)置有靜電卡盤(pán)22，用于吸附保持作為被處理體的半導(dǎo)體晶片S。根據(jù)需要對(duì)靜電卡盤(pán)22施加圖未示出的吸附用直流電壓。由產(chǎn)生例如13.56MHz高頻的高頻電源所構(gòu)成的偏置電源38通過(guò)配線(xiàn)36而連接在靜電卡盤(pán)22上。該偏置電源38通過(guò)由例如微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的偏置電源控制器40來(lái)控制輸出的偏置電力。
載置臺(tái)20由從下面中央向下延伸的支柱24所支撐。該支柱24貫穿處理容器底部16而連接于圖未示出的升降機(jī)構(gòu)。由此，能夠使載置臺(tái)20在處理容器14內(nèi)進(jìn)行升降。以包圍支柱24的方式設(shè)置能夠伸縮的金屬波紋管26。該金屬波紋管26，其上端與上述載置臺(tái)20的下面氣密結(jié)合，而下端與底部16的上面氣密結(jié)合。在載置臺(tái)20中形成有用于冷卻晶片S的制冷劑流過(guò)的制冷劑循環(huán)路28。
另外，在容器底部16上豎立設(shè)置有多根支撐銷(xiāo)釘30。在載置臺(tái)20上形成有對(duì)應(yīng)于各支撐銷(xiāo)釘30的銷(xiāo)釘插入孔32。所以，在載置臺(tái)20下降時(shí)，由貫通插入孔32的支撐銷(xiāo)釘30的上端支撐晶片S，能夠在與圖未示出的搬送臂之間進(jìn)行晶片S的傳送。在處理容器14的下部側(cè)壁，為了使搬送臂進(jìn)入而設(shè)置有可開(kāi)關(guān)的閘閥34。
另外，在處理容器底部16上，設(shè)置有氣體導(dǎo)入口62，用于向處理容器14內(nèi)導(dǎo)入作為放電氣體的含有Ar氣體的處理氣體。而且，還具有通過(guò)該導(dǎo)入口62向容器14內(nèi)供給處理氣體的氣體供給源63。氣體供給系統(tǒng)63具有圖未示出的氣體源和由氣體流量控制器、閥門(mén)等構(gòu)成的控制器64。
在處理容器14的上方，通過(guò)密封部件44氣密地安裝有由氮化鋁等電介體構(gòu)成的、相對(duì)于高頻波具有透過(guò)性的透過(guò)板42。在該透過(guò)板42的上面設(shè)置有等離子體發(fā)生系統(tǒng)46，用于在處理容器14內(nèi)的處理空間52中產(chǎn)生放電氣體(Ar氣體)的等離子體。該等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)46具有配置在透過(guò)板42上的感應(yīng)線(xiàn)圈48和連接于感應(yīng)線(xiàn)圈48上的例如13.56MHz的高頻電源50。
在透過(guò)板42的正下方設(shè)置有例如由鋁構(gòu)成的擋板54，用于使從感應(yīng)線(xiàn)圈48通過(guò)透過(guò)板42向處理容器14內(nèi)導(dǎo)入的高頻波擴(kuò)散。在該擋板54的下方，以包圍處理空間52上部的方式配置有向上逐漸變窄的環(huán)狀金屬靶56。該金屬靶56與可變直流電源58連接。使用例如鉭、Cu等作為金屬靶56的材料。金屬靶56被放電氣體(Ar氣體)的等離子體濺射而產(chǎn)生金屬離子。具體地說(shuō)，通過(guò)等離子體中的Ar離子的碰撞使金屬原子或者原子團(tuán)從金屬靶56放出，這些原子或者原子團(tuán)在通過(guò)等離子體中時(shí)被離子化而成為金屬離子。
在金屬靶56的下方以包圍處理空間52的方式設(shè)置有由例如鋁構(gòu)成的圓筒形的保護(hù)罩60。該保護(hù)罩60接地并且其下部向內(nèi)側(cè)彎曲而延伸到載置臺(tái)20的側(cè)部附近。
成膜裝置12具有控制各部工作的裝置控制器100。具體地說(shuō)，裝置控制器100控制偏置電源控制器40、高頻電源50、可變直流電源58、氣體控制器64、節(jié)流閥66、真空泵68等的工作，所以，能夠利用成膜裝置12大致實(shí)行如下處理。
首先，通過(guò)使真空泵68工作將處理容器14內(nèi)部變成真空，通過(guò)氣體控制器64釋放Ar氣體，并控制節(jié)流閥66將處理容器14內(nèi)維持在規(guī)定真空度。然后，從可變直流電源58向金屬靶56施加DC電力，并從高頻電源50向感應(yīng)線(xiàn)圈48施加高頻電力。而且，從偏置電源控制器40向載置臺(tái)20施加規(guī)定的偏置電力。
于是，在處理空間52內(nèi)，通過(guò)施加在金屬靶56及感應(yīng)線(xiàn)圈48上的電力而生成Ar氣體的等離子體。所以，等離子體中的Ar離子碰撞金屬靶56，金屬靶56被濺射。被濺射的金屬靶56的金屬原子或者原子團(tuán)在通過(guò)等離子體中時(shí)被離子化而成為金屬離子。這些金屬離子被施加于載置臺(tái)20上的偏置電力所吸引而沉積在晶片S的表面。
如后所述，通過(guò)裝置控制器100控制偏置電源控制器40，進(jìn)一步增大施加在載置臺(tái)20上的偏置電力，由此，能夠?qū)⒌入x子體中的Ar離子也吸引在載置臺(tái)20上。
另外，裝置控制器100的控制可以按照預(yù)先編好的控制程序進(jìn)行。該控制程序可以存儲(chǔ)在磁存儲(chǔ)介質(zhì)、光存儲(chǔ)介質(zhì)、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器等各種存儲(chǔ)介質(zhì)中并能被讀取。
下面，參照?qǐng)D2及圖3，詳細(xì)說(shuō)明使用上述構(gòu)成的成膜裝置所進(jìn)行的本發(fā)明方法的原理。
首先，本發(fā)明方法的特征在于在通過(guò)等離子體濺射進(jìn)行金屬膜的形成時(shí)，將對(duì)載置臺(tái)所施加的偏置電力控制為合適的大小，由此，使在形成有凹部的晶片上面的通過(guò)金屬離子的引入進(jìn)行的金屬膜的沉積和通過(guò)放電氣體的等離子體(Ar離子)進(jìn)行的濺射蝕刻同時(shí)發(fā)生，從而集中地在凹部的側(cè)壁上沉積金屬膜。具體地說(shuō)，控制此時(shí)偏置電力的大小，使通過(guò)金屬離子的引入而得到的金屬膜的成膜速率和通過(guò)放電氣體的等離子體進(jìn)行的濺射蝕刻的濺射速率大致均衡。
對(duì)這一點(diǎn)詳細(xì)進(jìn)行說(shuō)明。首先，對(duì)不考慮成膜量而通過(guò)放電氣體的等離子體進(jìn)行的濺射蝕刻的蝕刻速率的特性進(jìn)行說(shuō)明，得到圖2所示的濺射面的角度和濺射速率的關(guān)系。此處，濺射面的角度是指濺射面的法線(xiàn)與Ar離子入射方向所成的角度。例如，如果濺射面為晶片上面及凹部的底部，則濺射面的角度均為0度。如該圖明確所示，在濺射面的角度為0度(晶片上面)時(shí)，可以進(jìn)行某種程度的濺射蝕刻，但是，在濺射面的角度為90度(凹部的側(cè)壁)時(shí)則完全無(wú)法進(jìn)行濺射蝕刻。并且，濺射面的角度在40～80之間時(shí)，濺射蝕刻非常劇烈。
此外，在圖1所示的由ICP型濺射裝置構(gòu)成的成膜裝置中，施加在晶片S側(cè)的電力與在晶片S上面(非凹部的側(cè)壁)的金屬膜的成膜量的關(guān)系如圖3所示。即，使等離子體發(fā)生用高頻電力保持一定，在偏置電力沒(méi)達(dá)到如此大的程度時(shí)，通過(guò)金屬離子的引入得到較高的成膜量。但是，若進(jìn)一步增加偏置電力，則因偏置電力而加速的放電氣體的等離子體中的離子濺射蝕刻晶片上面的傾向逐漸變強(qiáng)(參照?qǐng)D2)。結(jié)果，好不容易沉積的薄膜被濺射除掉。
所以，晶片上面的通過(guò)金屬離子的引入而得到的成膜速率和通過(guò)放電氣體的等離子體進(jìn)行的濺射蝕刻的蝕刻速率一旦相同，則成膜和蝕刻互相抵消，晶片上面的成膜量實(shí)質(zhì)上為零。這時(shí)的條件對(duì)應(yīng)于圖3中的點(diǎn)X1(偏置電力為350W)。另外，圖3中的偏置電力和成膜量只不過(guò)表達(dá)一個(gè)例子，因裝置、成膜時(shí)間等導(dǎo)致這些數(shù)值變動(dòng)也是不言而喻的。
在現(xiàn)有技術(shù)中，這種濺射裝置的一般使用條件相當(dāng)于圖3的區(qū)域A1。該區(qū)域A1是偏置電力不太大而能夠得到高成膜量(成膜率)的區(qū)域。與此相對(duì)，在本發(fā)明中，在晶片上面，在通過(guò)金屬離子的引入而得到的成膜速率和通過(guò)放電氣體的等離子體進(jìn)行的濺射蝕刻的蝕刻速率大致均衡的區(qū)域A2上進(jìn)行成膜。此處，“大致均衡”不僅包括在晶片上面成膜量實(shí)質(zhì)上為零的情況，還包括成膜量達(dá)到區(qū)域A1成膜量的3/10左右的情況。
接著，分為第一、第二及第三實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行說(shuō)明。
<第一實(shí)施方式>
在圖1中，首先，在使載置臺(tái)20向下方下降的狀態(tài)下，通過(guò)閘閥34向處理容器14內(nèi)搬入晶片S，并使其支撐在支撐銷(xiāo)釘30上。然后，使載置臺(tái)20上升，將晶片S載置在載置臺(tái)20的上面，并利用靜電卡盤(pán)22吸附保持晶片S(準(zhǔn)備工序)。其中，在晶片S上，以上面開(kāi)口的方式預(yù)先形成有如圖8所說(shuō)明的通孔、穿孔、溝槽那樣的凹部2。
接著，將處理容器14的內(nèi)部抽真空至規(guī)定的壓力，之后，向等離子體發(fā)生系統(tǒng)46的感應(yīng)線(xiàn)圈48施加高頻電壓，并從偏置電源38向載置臺(tái)20的靜電卡盤(pán)22施加規(guī)定的偏置電力以進(jìn)行成膜。此處，為了形成TaN膜，而使用Ta(鉭)作為金屬靶56的材料，同時(shí)，除作為放電氣體的Ar氣體之外、還向處理容器14內(nèi)供給含有氮化氣體N2的處理氣體。因此，如圖4(A)所示，在晶片S的表面全體(上面及凹部2的表面)上形成大致均勻的TaN膜作為基底層4。此時(shí)的偏置電力，相當(dāng)于與現(xiàn)有的一般成膜條件相同的圖3中的區(qū)域A1，具體說(shuō)為100W(瓦)左右。在這種情況下，因?yàn)橛蒚aN膜構(gòu)成的基底層4的厚度非常薄，所以在凹部2的開(kāi)口部不會(huì)產(chǎn)生懸突。
接著，進(jìn)行作為本發(fā)明特征的成膜工序。在該成膜工序中，將施加在載置臺(tái)20上的偏置電力增大到相當(dāng)于圖3中的區(qū)域A2的數(shù)值。例如，為了使晶片上面的成膜量為零，設(shè)定偏置電力為相當(dāng)于圖3中點(diǎn)X1的數(shù)值，具體說(shuō)為350W，進(jìn)行作為第一金屬膜的Ta膜的成膜(第一子工序)。此時(shí)，停止從氣體導(dǎo)入口62供給氮化氣體，僅供給Ar氣體作為處理氣體。因此，如圖4(B)所示，在晶片S的上面和凹部2內(nèi)的底部幾乎沒(méi)有沉積第一金屬膜6，而僅在凹部2內(nèi)的側(cè)壁上均勻地沉積有由Ta膜構(gòu)成的第一金屬膜6，而且即使在凹部2的開(kāi)口處也不產(chǎn)生懸突。
下面說(shuō)明理由。即，通過(guò)將偏置電力的大小設(shè)定為相當(dāng)于圖3中的區(qū)域A2尤其是點(diǎn)X1的值，使與金屬離子的引入方向正交的晶片上面的通過(guò)金屬離子的引入而得到的成膜速率和通過(guò)放電氣體的等離子體進(jìn)行濺射蝕刻的蝕刻速率大致均衡。因此，在晶片上面，金屬膜的成膜量最終大致為零。而且，對(duì)于凹部2內(nèi)的底部，因?yàn)R射而從該部分飛散的金屬附著并沉積在凹部2內(nèi)的側(cè)壁上。結(jié)果，凹部2內(nèi)的底部的成膜量幾乎為零，該部分附著在側(cè)壁上而提高了側(cè)壁部分的膜厚均勻性。另外，在凹部2的開(kāi)口沒(méi)有產(chǎn)生懸突部分8(圖8)的理由，也是因?yàn)樯鲜龀赡がF(xiàn)象和蝕刻現(xiàn)象互相抵消作用的結(jié)果。
這樣，在通過(guò)金屬離子的引入而得到的成膜速率和通過(guò)放電氣體的等離子體進(jìn)行蝕刻的蝕刻速度大致均衡的成膜方法中，重要方面是有助于成膜的金屬在等離子體中不包含中性金屬原子，幾乎全部(95％以上、優(yōu)選99％以上)被離子化。因此，只要將等離子體發(fā)生系統(tǒng)46的高頻電力設(shè)定成較高(5000～6000W)即可。
若含有作為成膜種子的中性金屬原子，則即使在晶片上面的成膜量為零，但由于在凹部2內(nèi)的底部蝕刻占優(yōu)，使得作為基底膜的阻擋層4也會(huì)受到損傷，因此，并不優(yōu)選。中性金屬原子雖然在晶片上面沉積，但由于其相對(duì)于晶片S的垂直性低，所以無(wú)法到達(dá)凹部2的底部。因此，在凹部2的底部，放電氣體的等離子體的離子比金屬離子多，蝕刻占優(yōu)。
這里，為了將說(shuō)明簡(jiǎn)單化，假想通過(guò)放電氣體的等離子體的1個(gè)離子的碰撞使已經(jīng)沉積的1個(gè)金屬原子(或金屬離子)飛出(蝕刻)。而且，在本發(fā)明的成膜方法中，由于金屬膜沉積在凹部2的側(cè)壁上，優(yōu)選金屬離子相對(duì)于晶片的垂直性低至某一程度。所以，處理容器14內(nèi)的壓力被維持為比現(xiàn)有成膜方法高而成為低真空狀態(tài)(1～100mTorr，更優(yōu)選3～10mTorr)，金屬離子的平均自由行程變短。因此，金屬離子與放電氣體的等離子體碰撞的次數(shù)增加，可降低相對(duì)于晶片的垂直性。
關(guān)于這一點(diǎn)，一邊參照?qǐng)D5一邊進(jìn)行說(shuō)明。圖5是相對(duì)于偏置電力、工序壓力的金屬離子的垂直性的示意圖。在圖5中以A、B及C表示的各橢圓表示的是在晶片上面每單位面積所沉積的金屬離子的量和其入射角。具體地說(shuō)，如果從原點(diǎn)向各橢圓引出相交的直線(xiàn)，則從原點(diǎn)到該交點(diǎn)的長(zhǎng)度為金屬離子量，其直線(xiàn)與X軸的夾角為入射角。其中，相對(duì)于晶片上面垂直入射時(shí)，入射角為0度。例如，橢圓A相當(dāng)于在圖3的區(qū)域A1成膜的情況；橢圓B表示工序壓力為低真空且相當(dāng)于在圖3的點(diǎn)X1成膜的情況；橢圓C表示工序壓力為高真空(0.5mTorr以下)且相當(dāng)于在點(diǎn)X1成膜的情況。另外，如圖5下部所示那樣，直線(xiàn)L1、L2表示的是能夠到達(dá)凹部2的底部的金屬離子的臨界角θ。
以小于圖5所示臨界角θ的入射角到達(dá)晶片上面的金屬離子，既能夠在凹部2的側(cè)壁成膜，也能夠在底部成膜。另外，以大于臨界角θ的入射角度入射的金屬離子僅在側(cè)壁成膜，且其角度越大，越具有在側(cè)壁的上側(cè)成膜的傾向。所以，為了如本發(fā)明那樣在凹部2的整個(gè)側(cè)壁上高效率地成膜，優(yōu)選含有臨界角θ附近的成分比橢圓C多的橢圓A、更優(yōu)選橢圓B的條件。
而且，此時(shí)，將偏置電力設(shè)定為在區(qū)域A2內(nèi)的點(diǎn)X1以外的地方，也能夠在晶片上面形成與區(qū)域A1的情況相比顯得很薄的第一金屬膜6。另外，偏置電力的大小位于由TaN膜構(gòu)成的基底層4不受因?yàn)R射(蝕刻)引起的傷害的范圍內(nèi)。
這樣，如果通過(guò)第一子工序形成由Ta膜構(gòu)成的第一金屬膜6，形成如圖4(B)所示的由TaN膜和Ta膜的層疊構(gòu)造構(gòu)成的阻擋層，則進(jìn)行第二子工序。在該第二子工序中，將晶片S搬送到除金屬靶56的材料從鉭變?yōu)镃u以外、其他均與圖1所示的第一成膜裝置12相同構(gòu)成的第二成膜裝置的載置臺(tái)20上。然后，以與第一子工序相同的等離子體電力的條件(圖3的點(diǎn)X1)，如圖4(C)所示，在形成于凹部2內(nèi)的側(cè)壁上的Ta膜的第一金屬膜6上，形成由Cu膜構(gòu)成的金屬膜70作為由與鉭不同的金屬構(gòu)成的第二金屬膜。在這種情況下，金屬膜70能夠在凹部2內(nèi)的側(cè)壁上均勻地形成。
在這種情況下，由于第二成膜裝置的處理容器通過(guò)能夠被抽真空的傳遞室而與第一成膜裝置的處理容器14相連，所以能夠不使半導(dǎo)體晶片S暴露在大氣中而移到第二成膜裝置。
接著，在第二處理裝置中，設(shè)定等離子體電力為圖3中的區(qū)域A1，如圖4(D)所示，在晶片S的表面全體(上面以及凹部2的表面)上形成鍍層電極用的Cu膜。由于該Cu膜72的厚度比較薄，例如為90nm以下，因此能夠防止在凹部2的開(kāi)口產(chǎn)生懸突部分。
然后，從第二成膜裝置取出晶片S，通過(guò)在其上實(shí)施通常的鍍層處理，如圖4(E)所示，利用Cu74將凹部2內(nèi)完全填充。在這種情況下，與圖8所示的現(xiàn)有方法的情況不同，由于在開(kāi)口部沒(méi)有生成懸突部分，所以能夠利用Cu74將凹部2完全填充且不會(huì)生成空隙。另外，通過(guò)圖1所示的裝置控制器100控制的等離子體濺射成膜時(shí)的工序條件，例如，如下所述。靶用直流電源58的輸出功率為0～12000W，Ar氣體的流量為50～1000sccm，偏置電力為320～350W左右，N2氣體的流量為5～500sccm。
<第二實(shí)施方式>
下面，說(shuō)明圖6所示的本發(fā)明方法的第二實(shí)施方式。
在本實(shí)施方式中，在與上述第一實(shí)施方式大致相同的第一子工序(圖6(A))和第二子工序(圖6(C))之間，追加通過(guò)濺射削掉位于凹部2底部的基底層4的第三子工序(圖6(B))。
本實(shí)施方式的第一子工序，在下述方面與上述第一實(shí)施方式的第一子工序(圖4(B))不同。即，施加相當(dāng)于圖3中的區(qū)域A2內(nèi)的區(qū)域A3(比點(diǎn)X1稍靠上方的區(qū)域)的偏置電力(例如320W左右)，然后，如圖6(A)所示，在晶片S的上面形成有僅有ΔH厚的金屬膜6A為下步工序做準(zhǔn)備。這時(shí)，在凹部2的底部沉積有厚度為晶片S上面的金屬膜6A的厚度ΔH的20％左右的金屬膜。
如圖6(B)所示，在接著的第三子工序中，通過(guò)蝕刻削掉位于凹部2底部的TaN膜的基底層4。在該第三子工序中，將金屬靶56從圖1所示的成膜裝置12取出，利用Ar氣體的等離子體進(jìn)行濺射蝕刻。此時(shí)，雖然晶片S的上面也被蝕刻，但是由于預(yù)先形成的薄金屬膜6A起到保護(hù)膜的作用，所以晶片S上面不會(huì)受到傷害。
如圖6(C)所示，在接著的第二子工序中，形成由Cu膜構(gòu)成的第二金屬膜70。于是，在圖6(D)所示的Cu膜72形成后，通過(guò)與第一實(shí)施方式相同的鍍層處理(圖4(E))利用Cu74填充凹部2的內(nèi)部。另外，一般在凹部2的下面存在由Cu構(gòu)成的配線(xiàn)。因此，根據(jù)本實(shí)施方式，在凹部2的底部，實(shí)現(xiàn)沒(méi)有TaN膜介于其中的Cu-Cu連接，能夠大幅度降低該部分的電阻。
<第三實(shí)施方式>
下面，說(shuō)明圖7所示的本發(fā)明方法的第三實(shí)施方式。
本實(shí)施方式包括形成由與第一金屬膜6相同的金屬構(gòu)成的初期金屬膜(Ta膜)80作為阻擋層的工序(圖7(A))，以代替上述第一實(shí)施方式的形成由TaN膜構(gòu)成的基底層4的工序(圖4(A))。
具體地說(shuō)，如圖7(A)所示，首先，在晶片S的全體表面(上面及凹部2的表面)上，利用與現(xiàn)有技術(shù)相同的等離子體濺射成膜，形成Ta膜作為初期金屬膜80。此時(shí)，使用相當(dāng)于圖3中的區(qū)域A1的偏置電力，沉積足夠厚(例如100nm以上)的初期金屬膜80。在這種情況下，Ta膜不僅沉積在凹部2的底面上，還沉積在其側(cè)壁上，在凹部2的開(kāi)口處形成懸突部分82。但是，該懸突部分82的問(wèn)題可以在下步工序被解決。
如圖7(B)所示，在接下來(lái)的第一子工序，形成由Ta膜構(gòu)成的第一金屬膜6。此時(shí)的偏置電力與第一實(shí)施方式的第一子工序(圖4(B))相同，設(shè)定為圖3中的點(diǎn)X1。這樣，僅在凹部2內(nèi)的壁面上形成第一金屬膜6。此時(shí)，在晶片S的上面，由于使通過(guò)金屬離子的引入進(jìn)行的成膜和通過(guò)放電氣體的等離子體(Ar離子)進(jìn)行的濺射蝕刻以平衡狀態(tài)同時(shí)發(fā)生，所以，晶片S上面的初期金屬膜80的厚度H基本上無(wú)變化。此外，由于凹部2的開(kāi)口部分容易受到Ar離子的多方向?yàn)R射，所以懸突部分82(圖7(A))被削掉，回到比較正常的開(kāi)口狀態(tài)。
如圖7(C)所示，在接下來(lái)的第二子工序中，形成由Cu膜構(gòu)成的第二金屬膜70。于是，在形成圖7(D)所示的Cu膜72之后，通過(guò)圖7(E)所示的鍍層處理利用Cu74填充凹部2內(nèi)部。在這種情況下，顯示出與第一實(shí)施方式相同的作用效果，例如能夠防止凹部2內(nèi)的空隙產(chǎn)生。
以上實(shí)施方式的各數(shù)值僅為示例，當(dāng)然不限于此。此外，TaN/Ta/Cu(第一及第二實(shí)施方式)或Ta/Cu(第三實(shí)施方式)構(gòu)成的阻擋膜/種子膜的層疊構(gòu)造雖然作為例子而被進(jìn)行了說(shuō)明，但本發(fā)明不限于這些層疊構(gòu)造。例如，TiN/Ti/Cu層疊構(gòu)造、TiN/Ti/Ru層疊構(gòu)造、甚至Ti/Cu構(gòu)造、Ti/Ru構(gòu)造當(dāng)然也適用于本發(fā)明。
而且，各高頻電源的頻率也不限于13.56MHz，也能夠使用其它頻率例如27.0MHz。并且，作為放電氣體也不限于Ar氣體，可以使用其它惰性氣體，例如He、Ne等。而且，此處雖然以半導(dǎo)體晶片為例作為被處理體進(jìn)行了說(shuō)明，但并不限定于此，LCD基板、玻璃基板等也能夠適用于本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種成膜方法，其特征在于，包括準(zhǔn)備工序，將具有上面和在該上面開(kāi)口的凹部的被處理體載置在真空處理容器內(nèi)的載置臺(tái)上；以及成膜工序，在所述處理容器內(nèi)利用放電氣體的等離子體濺射金屬靶而產(chǎn)生金屬離子，并且向所述載置臺(tái)施加其大小能夠使在所述被處理體上面通過(guò)所述金屬離子的引入進(jìn)行的金屬膜的沉積和通過(guò)所述放電氣體的等離子體進(jìn)行的濺射蝕刻同時(shí)發(fā)生的偏置電力，使所述金屬膜沉積在所述凹部的側(cè)壁上。
2.如權(quán)利要求1所述的成膜方法，其特征在于所述成膜工序中的偏置電力的大小被設(shè)定成，使在所述被處理體的上面通過(guò)所述金屬離子的引入而得到的金屬膜的成膜速率和通過(guò)所述放電氣體的等離子體進(jìn)行的濺射蝕刻的蝕刻速率大致均衡。
3.如權(quán)利要求1所述的成膜方法，其特征在于在所述準(zhǔn)備工序和所述成膜工序之間，還包括在所述被處理體的上面及凹部表面形成由與所述金屬膜不同的物質(zhì)構(gòu)成的基底層的工序。
4.如權(quán)利要求3所述的成膜方法，其特征在于所述成膜工序中的偏置電力的大小被設(shè)定成不對(duì)所述基底層進(jìn)行濺射蝕刻。
5.如權(quán)利要求1所述的成膜方法，其特征在于在所述準(zhǔn)備工序和所述成膜工序之間，還包括在所述被處理體的上面及凹部表面上形成由與所述金屬膜相同的物質(zhì)構(gòu)成的初期金屬膜的工序。
6.如權(quán)利要求1所述的成膜方法，其特征在于所述成膜工序包括第一子工序，在所述被處理體的上面及凹部表面上形成第一金屬膜；以及第二子工序，在所述第一金屬膜上形成由與所述第一金屬膜不同的金屬構(gòu)成的第二金屬膜。
7.如權(quán)利要求6所述的成膜方法，其特征在于在所述準(zhǔn)備工序和所述成膜工序之間，還包括在所述被處理體的上面及凹部表面上形成由與所述金屬膜不同的物質(zhì)構(gòu)成的基底層的工序，所述成膜工序在所述第一子工序和所述第二子工序之間還包括通過(guò)蝕刻削掉位于所述凹部底部的基底層的第三子工序。
8.如權(quán)利要求1所述的成膜方法，其特征在于所述金屬膜為鉭膜。
9.如權(quán)利要求6所述的成膜方法，其特征在于所述第一金屬膜為鉭膜，所述第二金屬膜為銅膜。
10.如權(quán)利要求7所述的成膜方法，其特征在于所述第一金屬膜為鉭膜，所述第二金屬膜為銅膜。
11.如權(quán)利要求10所述的成膜方法，其特征在于所述基底層為氮化鉭膜。
12.一種成膜裝置，其特征在于，包括真空處理容器；載置臺(tái)，被設(shè)置在所述處理容器內(nèi)，用于載置具有上面和在該上面開(kāi)口的凹部的被處理體；氣體供給系統(tǒng)，向所述處理容器內(nèi)供給含有放電氣體的處理氣體；等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)，在所述處理容器中產(chǎn)生所述放電氣體的等離子體；金屬靶，被設(shè)置在所述處理容器內(nèi)，由所述等離子體濺射而產(chǎn)生金屬離子；偏置電源，向所述載置臺(tái)施加偏置電力；以及偏置電源控制器，其控制所述偏置電源，使得向所述載置臺(tái)施加其大小能夠使在所述被處理體的上面通過(guò)所述金屬離子的引入進(jìn)行的金屬膜的沉積和通過(guò)所述放電氣體的等離子體進(jìn)行的濺射蝕刻同時(shí)發(fā)生的偏置電力，使所述金屬膜沉積在所述凹部的側(cè)壁。
13.如權(quán)利要求12所述的成膜方法，其特征在于所述偏置電源控制器控制所述偏置電源，使所述成膜工序中的偏置電力的大小為能夠使在所述被處理體的上面通過(guò)所述金屬離子的引入而得到的金屬膜的成膜速率和通過(guò)所述放電氣體的等離子體進(jìn)行的濺射蝕刻的蝕刻速率大致均衡。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用等離子體濺射在半導(dǎo)體晶片(S)的上面和在上面開(kāi)口的凹部的表面形成金屬薄膜的技術(shù)。本發(fā)明的成膜方法的特征在于利用放電氣體的等離子體在處理容器(14)內(nèi)濺射金屬靶(56)而產(chǎn)生金屬離子，同時(shí)，對(duì)載置臺(tái)(20)施加偏置電力，其中，該電力的大小使在處理體(S)上面通過(guò)金屬離子的引入進(jìn)行的金屬膜的沉積和通過(guò)放電氣體的等離子體進(jìn)行的濺射蝕刻同時(shí)發(fā)生。
文檔編號(hào)H01L21/285GK101044258SQ20058003589
公開(kāi)日2007年9月26日 申請(qǐng)日期2005年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月19日
發(fā)明者池田太郎, 鈴木健二, 波多野達(dá)夫, 水澤寧 申請(qǐng)人:東京毅力科創(chuàng)株式會(huì)社