專利名稱：等離子體濺射成膜方法和成膜裝置的制作方法
技術(shù)區(qū)域本發(fā)明涉及使用等離子體濺射向在半導(dǎo)體晶片等被處理體的表面開口的凹部填充金屬的技術(shù)改良。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體器件的制造過(guò)程中，通常在半導(dǎo)體晶片上反復(fù)進(jìn)行成膜處理和圖形刻蝕處理等各種處理，由此制造所期望的器件。由于對(duì)半導(dǎo)體器件的集成化及小型化有著更高的要求，線寬和孔徑被做得越來(lái)越小。各種尺寸一旦變小，就有必要降低配線材料及填充材料的電阻，所以傾向于用電阻很小且廉價(jià)的Cu作為配線材料和填充材料(參照日本特開2000-77365號(hào)公報(bào))。在用Cu作為配線材料和填充材料的情況中，考慮到密著性等，一般使用金屬鉭膜或氮化鉭膜作為其下面的阻擋層。
當(dāng)向槽和孔等凹部?jī)?nèi)填充銅時(shí)，首先，在等離子體濺射裝置內(nèi)，在包括整個(gè)凹部?jī)?nèi)面的整個(gè)晶片表面上形成由銅膜構(gòu)成的薄種子膜。接著，在整個(gè)晶片表面上實(shí)施鍍銅處理，在整個(gè)凹部?jī)?nèi)填充銅。然后，利用CMP(Chemical Mechanical Polishing化學(xué)機(jī)械拋光)處理等拋光處理，去除晶片表面的多余的銅薄膜。
關(guān)于上述的現(xiàn)有的填充方法，參照?qǐng)D8進(jìn)行說(shuō)明。在半導(dǎo)體晶片S上形成有很多凹部2，這些凹部2在晶片表面即晶片上面開口。凹部2為通孔(via hole)、穿孔(through hole)、或槽(溝槽(trench)或雙大馬士革(Dual Damascene)結(jié)構(gòu))等。由于設(shè)計(jì)規(guī)則的微細(xì)化，凹部2的深寬比非常大(例如達(dá)到3～4左右)，而且凹部2的寬度或內(nèi)徑小到例如120nm左右。
利用等離子體濺射裝置，在晶片表面和凹部2內(nèi)面的全部區(qū)域上，大致均勻地預(yù)先形成由TaN膜和Ta膜的疊層結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的阻擋層4(參照?qǐng)D8(A))。在等離子體濺射裝置中，在晶片表面和凹部?jī)?nèi)面上，形成由金屬膜、例如薄的銅膜所構(gòu)成的種子膜6(參照?qǐng)D8(B))。形成種子膜6時(shí)，為了高效地進(jìn)行銅離子的引入，向半導(dǎo)體晶片側(cè)施加高頻電壓的偏置電力。接著，利用3元系鍍銅處理在晶片表面上形成由銅膜構(gòu)成的金屬膜8，由此向凹部2內(nèi)填充銅。然后，將晶片表面的多余的金屬膜8、種子膜6以及阻擋層4拋光去除。
在等離子體濺射裝置內(nèi)進(jìn)行成膜時(shí)，通過(guò)像上述那樣向半導(dǎo)體晶片側(cè)施加偏置電力，能夠促進(jìn)金屬離子的引入，從而提高成膜速率。如果過(guò)度地增大偏置電力，則為了產(chǎn)生等離子體而導(dǎo)入處理容器內(nèi)的不活潑氣體、例如氬氣的離子會(huì)濺射晶片表面，削掉堆積的金屬膜，因此偏置電力不能大到那個(gè)程度。
如圖8(B)所示，在形成由銅膜構(gòu)成的種子膜6時(shí)，種子膜很難附在凹部2側(cè)壁下部的區(qū)域B1部分。因此，如果長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行成膜處理直至在區(qū)域B1形成具有足夠厚度的種子膜6，則在凹部2的上端開口部的種子膜6上會(huì)產(chǎn)生外伸部分10，開口面積變小。在這種狀態(tài)下，即使進(jìn)行鍍層處理，有時(shí)也無(wú)法完全填充凹部2，產(chǎn)生空隙11。
為了防止空隙11的產(chǎn)生，不得不進(jìn)行需要多種添加劑的操作非常煩雜的所謂3元系鍍層處理。而且，當(dāng)進(jìn)行3元系鍍層處理時(shí)，晶片上面的金屬膜8的厚度H1會(huì)變得非常大。因此，其后的拋光處理需要較長(zhǎng)的時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明著眼于以上的問(wèn)題點(diǎn)，為了有效地解決上述問(wèn)題而做出。本發(fā)明的目的在于提供一種能夠向在被處理體表面開口的凹部中填充金屬而不產(chǎn)生空隙等缺陷的技術(shù)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，減輕在填充后能夠?qū)嵤┑腻儗犹幚淼呢?fù)擔(dān)。
本發(fā)明的又一個(gè)目的在于，減輕在填充和/或鍍層處理后能夠?qū)嵤┑谋砻鎾伖馓幚淼呢?fù)擔(dān)。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種成膜方法，其特征在于，包括將具有表面和在該表面開口的凹部的被處理體載置在配置于真空處理容器內(nèi)的載置臺(tái)上的工序；在上述真空處理容器內(nèi)產(chǎn)生等離子體，并利用上述等離子體濺射在上述真空處理容器內(nèi)配置的金屬靶，產(chǎn)生金屬離子的工序；和向上述載置臺(tái)施加偏置電力并將上述金屬離子引入到上述凹部?jī)?nèi)，使其沉積在上述凹部，由此向上述凹部填充金屬的工序，其中，上述偏置電力，其大小使得在上述被處理體的上述表面，因上述金屬離子的引入而產(chǎn)生的金屬沉積的沉積速率和由上述等離子體產(chǎn)生的濺射蝕刻的蝕刻速率大致均衡。
向上述凹部填充金屬之后，能夠進(jìn)行鍍層處理。另外，在上述鍍層處理后，能夠?qū)嵤?duì)表面進(jìn)行拋光使表面平坦化的拋光處理。
能夠使上述凹部的寬度或直徑為100nm以下、使深寬比為3以上。
能夠使上述金屬為銅、鋁、鎢中的任一種。
本發(fā)明還提供一種成膜方法，其特征在于，包括將具有表面和在該表面開口的凹部的被處理體載置在配置于真空處理容器內(nèi)的載置臺(tái)上的工序；第一成膜工序，包括在上述真空處理容器內(nèi)產(chǎn)生等離子體，并利用上述等離子體濺射在上述真空處理容器內(nèi)配置的金屬靶，產(chǎn)生金屬離子的工序，以及向上述載置臺(tái)施加偏置電力并將上述金屬離子引入到上述凹部?jī)?nèi)，使其在上述凹部沉積，由此向上述凹部填充金屬的工序；和第二成膜工序，包括在上述真空處理容器內(nèi)產(chǎn)生等離子體，并利用上述等離子體濺射在上述真空處理容器內(nèi)配置的金屬靶，產(chǎn)生金屬離子的工序，以及向上述載置臺(tái)施加偏置電力并將上述金屬離子引入到上述凹部?jī)?nèi)，使其在上述凹部沉積，由此向上述凹部填充金屬的工序，其中，多次交替重復(fù)進(jìn)行上述第一成膜工序和上述第二成膜工序，上述第一成膜工序中的上述偏置電力，其大小使得在上述被處理體的上述表面，因上述金屬離子的引入而產(chǎn)生的金屬沉積的沉積速率遠(yuǎn)大于由上述等離子體產(chǎn)生的濺射蝕刻的蝕刻速率，上述第二成膜工序中的上述偏置電力，其大小使得在上述被處理體的上述表面，因上述金屬離子的引入而產(chǎn)生的金屬沉積的沉積速率和由上述等離子體產(chǎn)生的濺射蝕刻的蝕刻速率大致均衡。
優(yōu)選重復(fù)進(jìn)行的成膜工序以上述第一成膜工序結(jié)束。
多次重復(fù)進(jìn)行上述第一及第二成膜工序之后，可以進(jìn)行鍍層處理。另外，在上述鍍層處理之后，可以實(shí)施對(duì)表面進(jìn)行拋光使表面平坦化的拋光處理。
在一個(gè)實(shí)施方式中，上述被處理體是用于將IC芯片彼此結(jié)合的內(nèi)插器(interposer)的基板。
可以利用填充在上述被處理體的凹部的金屬膜形成感應(yīng)線圈。
能夠使上述金屬為銅、鋁、鎢中的任一種。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種等離子體成膜裝置，其特征在于，包括能夠抽真空的處理容器；用于載置具有表面和在該表面開口的凹部的被處理體的載置臺(tái)；向上述處理容器內(nèi)導(dǎo)入規(guī)定氣體的氣體導(dǎo)入單元；用于在上述處理容器內(nèi)產(chǎn)生等離子體的等離子體發(fā)生裝置；設(shè)置在上述處理容器內(nèi)，用于被上述等離子體離子化的金屬靶；向上述載置臺(tái)供給規(guī)定的偏置電力的偏置電源；和控制上述偏置電源的偏置電源控制部，其中，上述偏置電源控制部，將從上述偏置電源輸出的偏置電力的大小控制為使得在上述被處理體的上述表面，因上述金屬離子的引入而產(chǎn)生的金屬沉積的沉積速率和由上述等離子體產(chǎn)生的濺射蝕刻的蝕刻速率大致均衡。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種等離子體成膜裝置，其特征在于，包括能夠抽真空的處理容器；用于載置具有表面和在該表面開口的凹部的被處理體的載置臺(tái)；向上述處理容器內(nèi)導(dǎo)入規(guī)定氣體的氣體導(dǎo)入單元；用于在上述處理容器內(nèi)產(chǎn)生等離子體的等離子體發(fā)生裝置；設(shè)置在上述處理容器內(nèi)，用于被上述等離子體離子化的金屬靶；向上述載置臺(tái)供給規(guī)定的偏置電力的偏置電源；控制上述偏置電源的偏置電源控制部；以及裝置控制部，該裝置控制部控制裝置整體，使其運(yùn)行下述工序使導(dǎo)入到上述處理容器內(nèi)的氣體等離子體化，并利用該等離子體使上述金屬靶離子化，形成金屬離子的工序；以及施加使得因上述金屬離子的引入而產(chǎn)生的金屬沉積的沉積速率和由上述等離子體產(chǎn)生的濺射蝕刻的蝕刻速率達(dá)到大致均衡的狀態(tài)的偏置電壓，使金屬膜沉積以填充上述凹部的工序。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)調(diào)整向載置臺(tái)施加的偏置電力，對(duì)因金屬離子的引入而產(chǎn)生的金屬膜的沉積速率和由等離子體產(chǎn)生的濺射蝕刻的蝕刻速率的關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，由此能夠高效地填充被處理體的凹部。


圖1是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的等離子體成膜裝置的結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖2是表示濺射蝕刻的角度依賴性的圖。
圖3是表示偏置電力與晶片表面的成膜速率的關(guān)系的圖。
圖4是用于對(duì)本發(fā)明方法的第一實(shí)施方式的一系列工序進(jìn)行說(shuō)明的被處理體的部分放大截面圖。
圖5是表示與不同的偏置電力和處理壓力分別對(duì)應(yīng)的金屬離子的垂直性的圖。
圖6是用于對(duì)本發(fā)明方法的第二實(shí)施方式的一系列工序進(jìn)行說(shuō)明的被處理體的部分放大截面圖。
圖7是用于對(duì)根據(jù)本發(fā)明方法的第二實(shí)施方式制成的被處理體的用途進(jìn)行說(shuō)明的說(shuō)明圖。
圖8是表示半導(dǎo)體晶片凹部的現(xiàn)有的填充工序的圖。
符號(hào)說(shuō)明2凹部4阻擋層6金屬膜(種子膜)8金屬膜12 等離子體成膜裝置14 處理容器20 載置臺(tái)22 靜電吸盤38 偏置電源40 偏置電源控制部46 等離子體發(fā)生裝置48 感應(yīng)線圈部50 高頻電源56 金屬靶62 氣體噴嘴(氣體導(dǎo)入單元)74 金屬膜
S 半導(dǎo)體晶片(被處理體)S2 被處理體具體實(shí)施方式
下面，根據(jù)附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的成膜方法和成膜裝置的實(shí)施方式。
圖1是表示本發(fā)明的等離子體成膜裝置的一個(gè)例子的截面圖。在此，作為等離子體成膜裝置，以ICP(Inductively Coupled Plasma感應(yīng)耦合等離子體)型等離子體濺射裝置為例進(jìn)行說(shuō)明。如圖所示，成膜裝置12具有由例如鋁等成形為筒體狀的處理容器14。處理容器14被接地。在處理容器14的底部16上設(shè)有排氣口18。真空泵68通過(guò)節(jié)流閥66與排氣口18連接。
在處理容器14內(nèi)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)置有用于吸附并保持作為被處理體的半導(dǎo)體晶片S的靜電吸盤22。為了吸附晶片S，向靜電吸盤22施加直流電壓。載置臺(tái)20由從其下面的中央部向下方延伸的支柱24支撐。支柱24貫穿處理容器14的底部16，與未圖示的升降機(jī)構(gòu)連接。所以，通過(guò)使升降機(jī)構(gòu)工作，能夠使載置臺(tái)20升降。
能夠伸縮的金屬波紋管26包圍著支柱24。金屬波紋管26的上端與載置臺(tái)20的下面氣密地接合，金屬波紋管26的下端與底部16的上面氣密地接合。金屬波紋管26在維持處理容器14內(nèi)的氣密性的同時(shí)，允許載置臺(tái)20的升降移動(dòng)。在載置臺(tái)20中形成有用于流動(dòng)將晶片S冷卻的制冷劑的制冷劑循環(huán)路28。制冷劑通過(guò)支柱24內(nèi)的未圖示的流路供給至制冷劑循環(huán)路28，然后從制冷劑循環(huán)路28排出。從容器底部16朝向上方，直立有多根例如3根(圖1中僅表示了其中的2根)支撐銷30。與各支撐銷30對(duì)應(yīng)，在載置臺(tái)20中形成有銷插通孔32。
當(dāng)使載置臺(tái)20下降時(shí)，支撐銷30的上端部貫穿銷插通孔32，從載置臺(tái)20突出，在該狀態(tài)下，在進(jìn)入處理容器14內(nèi)的未圖示的搬送臂和支撐銷30之間進(jìn)行晶片S的交接。在處理容器14側(cè)壁的下部設(shè)有在打開時(shí)允許上述搬送臂進(jìn)入的閘閥34。為了向載置臺(tái)20施加規(guī)定的偏置電力，由產(chǎn)生例如13.56MHz高頻的高頻電源構(gòu)成的偏置電源38通過(guò)配線36與靜電吸盤22連接。偏置電源38輸出的偏置電力由例如由微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的偏置電源控制部40控制。
在處理容器14的頂部開口部，通過(guò)O型圈等密封部件44，氣密地安裝有由例如氮化鋁等電介質(zhì)構(gòu)成的高頻透過(guò)性的透過(guò)板42。在透過(guò)板42上設(shè)有等離子體發(fā)生裝置46，其用于在處理容器14內(nèi)的處理空間52中產(chǎn)生等離子體氣體、例如Ar氣體的等離子體。等離子體發(fā)生裝置46具有設(shè)置在透過(guò)板42上方的感應(yīng)線圈部48；以及與該線圈48連接的等離子體發(fā)生用的例如13.56MHz的高頻電源50。
為了使通過(guò)透過(guò)板42導(dǎo)入處理容器14內(nèi)的高頻擴(kuò)散，在透過(guò)板42的正下方設(shè)有例如由鋁制成的擋板54。在擋板54的下方，設(shè)有越向上方直徑越小的環(huán)狀的金屬靶56，以包圍處理空間52的上部。金屬靶56的內(nèi)周面形成圓錐臺(tái)的錐面的形狀?？勺冎绷麟娫?8與金屬靶56連接?？梢允褂美缃饘巽g或銅等金屬作為金屬靶56。金屬靶56被等離子體中的Ar離子濺射，由此從金屬靶56放出金屬原子或金屬原子團(tuán)，它們通過(guò)等離子體中時(shí)被離子化，成為金屬離子。
另外，在該金屬靶56的下方，設(shè)有例如由鋁制成的圓筒狀的保護(hù)罩60，以包圍處理空間52。保護(hù)罩60被接地，并且，其下部向內(nèi)側(cè)彎曲并延伸至載置臺(tái)20的側(cè)部附近。在處理容器14的底部設(shè)有用于向處理容器14內(nèi)導(dǎo)入處理用氣體的氣體導(dǎo)入口62。等離子體氣體例如Ar氣體，通過(guò)由氣體流量控制器和閥門等構(gòu)成的氣體控制部64，從氣體導(dǎo)入口62供給。
等離子體成膜裝置12的各種功能要素，具體地說(shuō)，偏置電源控制部40、高頻電源50、可變直流電源58、氣體控制部64、節(jié)流閥66和真空泵68等，與例如由計(jì)算機(jī)構(gòu)成的裝置控制部100連接。裝置控制部100控制這些功能要素，使成膜裝置12執(zhí)行以下的處理。
首先，使Ar氣通過(guò)氣體控制部64流入已被真空泵68抽成真空的處理容器14內(nèi)，控制節(jié)流閥66，將處理容器14內(nèi)維持在規(guī)定的真空度。然后，通過(guò)可變直流電源58向金屬靶56施加DC電力，另外通過(guò)高頻電源50向感應(yīng)線圈部48施加高頻電力。
另外，裝置控制部100也向偏置電源控制部40發(fā)出指令，對(duì)載置臺(tái)20施加規(guī)定的偏置電力。于是，利用向金屬靶56和感應(yīng)線圈部48施加的電力，使Ar氣等離子體化。等離子體中的Ar離子與金屬靶56碰撞，金屬靶56被濺射。由此，從金屬靶56放出的金屬原子和金屬原子團(tuán)，在通過(guò)等離子體中時(shí)被離子化，成為金屬離子。金屬離子被施加有偏置電力的載置臺(tái)20吸引，沉積在載置臺(tái)20上的晶片S上。
另外，當(dāng)對(duì)載置臺(tái)20施加更大的偏置電壓時(shí)，不僅金屬離子而且等離子體中的Ar離子也被吸引到載置臺(tái)20側(cè)，金屬沉積和濺射蝕刻兩者同時(shí)發(fā)生。
裝置控制部100，通過(guò)執(zhí)行為了控制各功能要素以使它們按照規(guī)定的處理方案進(jìn)行金屬膜成膜而編寫的并存儲(chǔ)在附屬于裝置控制部100的存儲(chǔ)介質(zhì)(例如硬盤驅(qū)動(dòng)器，HDD)中的控制程序，控制成膜裝置12的各功能要素。這樣的程序可以存儲(chǔ)在軟盤(注冊(cè)商標(biāo))(FD)、光盤(CD)或閃存器等存儲(chǔ)介質(zhì)中，在這種情況下，裝置控制部100通過(guò)執(zhí)行從這樣的存儲(chǔ)介質(zhì)讀出的程序而控制成膜裝置12的各功能要素。
下面，說(shuō)明使用等離子體成膜裝置12進(jìn)行的本發(fā)明的成膜方法。
圖2為表示濺射蝕刻的角度依賴性的圖，圖3為表示偏置電力與晶片表面的成膜速率的關(guān)系的圖，圖4是表示第一實(shí)施方式的各工序的圖。本發(fā)明方法的第一實(shí)施方式的特征在于，在利用等離子體濺射進(jìn)行成膜時(shí)，通過(guò)將偏置電力控制為適當(dāng)?shù)拇笮。瑢?shí)現(xiàn)由金屬離子的引入而產(chǎn)生的金屬膜的沉積速率和由來(lái)自等離子體氣體的離子(例如Ar離子)而產(chǎn)生的濺射蝕刻的蝕刻速率大致均衡的狀態(tài)。因此，向凹部的金屬填充，主要通過(guò)向凹部的側(cè)壁沉積金屬膜而實(shí)現(xiàn)。
具體地說(shuō)，設(shè)定偏置電力，使得在“晶片表面(被處理體表面)”上，金屬膜的沉積速率和濺射蝕刻速率大致均衡，上述“晶片表面”為與環(huán)狀的金屬靶56的假想中心軸線垂直并位于與凹部的入口開口相同高度的平面。此外，要注意的是，在本說(shuō)明書中，“晶片表面”的用語(yǔ)，是指晶片的成膜對(duì)象面中、除凹部的內(nèi)面(凹部的側(cè)面和底面)以外的部分。
關(guān)于這一點(diǎn)，進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。首先，不考慮金屬膜的沉積，僅對(duì)濺射蝕刻的蝕刻速率進(jìn)行研究。濺射面(指的是“被濺射的面”)的角度與蝕刻速率的關(guān)系如圖2的圖所示。在此，濺射面的角度是指濺射面的法線與為了削掉該濺射面而向其入射的離子(具體地說(shuō)，為Ar離子)的入射方向所成的角度。例如，晶片表面和凹部底面的濺射面的角度為0度，凹部側(cè)面的濺射面的角度為90度。
從該圖可以看出，在晶片表面(濺射面的角度＝0度)進(jìn)行了某種程度的濺射蝕刻，而在凹部的側(cè)面(濺射面的角度＝90度)幾乎沒有進(jìn)行濺射蝕刻，并且，凹部的開口端邊緣(濺射面的角度＝40～80度)被非常激烈地濺射蝕刻。
在圖1所示的由ICP型濺射裝置構(gòu)成的等離子體成膜裝置中，向載置晶片S的載置臺(tái)20施加的偏置電力與金屬向晶片表面(濺射面的角度＝0度)的成膜速率(即膜生長(zhǎng)速率或膜厚增加速率)的關(guān)系，如圖3所示。在等離子體發(fā)生用的高頻電力一定的情況下，當(dāng)偏置電力不那么大時(shí)，由金屬離子的引入而產(chǎn)生的沉積起支配作用，得到高成膜速率，但是，當(dāng)偏置電力增大時(shí)，由被偏置電力加速的來(lái)自等離子體氣體的離子所產(chǎn)生的濺射效果增大，結(jié)果，以前沉積的金屬膜通過(guò)濺射蝕刻而被除去。偏置電力越大，該蝕刻效果也越大。
因此，當(dāng)金屬膜的沉積速率(這是指假定不產(chǎn)生蝕刻時(shí)的沉積速率)與蝕刻速率相等時(shí)，沉積和蝕刻相抵消，晶片表面的成膜速率即膜厚增加速率成為“零”。參照?qǐng)D3的圖中的點(diǎn)X1(偏置電力350W)。另外，圖3的圖僅表示偏置電力與成膜速率的關(guān)系的一個(gè)例子，如果成膜裝置或成膜時(shí)間等發(fā)生變化，圖中的數(shù)值當(dāng)然也會(huì)變動(dòng)。
以往，當(dāng)利用這種濺射裝置進(jìn)行成膜時(shí)，一般不使偏置電力太大(參照?qǐng)D3的區(qū)域A1)，可獲得高成膜速率。與此相對(duì)，在本發(fā)明方法中，設(shè)定偏置電力，使得金屬沉積速率與濺射蝕刻速率大致均衡(相當(dāng)于圖3的區(qū)域A2)。在此，“大致均衡”不僅包含晶片表面的成膜速率為“零”的情況，也包含以相對(duì)于圖3的區(qū)域A1中的成膜速率最高為3/10左右的低成膜速率形成膜的情況。
那么，在理解以上本發(fā)明方法的基本原理的基礎(chǔ)上，具體地說(shuō)明本發(fā)明方法。
首先，在已使載置臺(tái)20向下方下降的狀態(tài)下，將晶片S通過(guò)處理容器14的閘閥34搬入處理容器14內(nèi)，使該晶片S支撐在支撐銷30上。接著，使載置臺(tái)20上升，支撐銷30上的晶片S被載置臺(tái)20的上面支撐。晶片S被靜電吸盤22產(chǎn)生的靜電吸附力吸附在載置臺(tái)20的上面上。
此外，在被搬入處理容器14內(nèi)的晶片S上形成有在晶片表面開口的通孔、穿孔和/或槽那樣的凹部2(參照?qǐng)D8)。并且，利用與圖1所示的裝置同樣結(jié)構(gòu)的另一個(gè)等離子體成膜裝置，通過(guò)使用金屬Ta作為靶的濺射處理，在晶片表面和凹部2的內(nèi)面預(yù)先形成由TaN/Ta膜等的疊層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的阻擋層4(參照?qǐng)D4(A))。凹部2的寬度(槽的情況下)或直徑(孔的情況下)為幾百nm以下，非常微小，深寬比最大為5左右。
接著，開始進(jìn)行成膜處理。在此使用銅作為金屬靶56。在將處理容器14的內(nèi)部抽真空至規(guī)定壓力后，向等離子體發(fā)生源46的感應(yīng)線圈部48施加高頻電壓，并且由偏置電源38向載置臺(tái)20的靜電吸盤22施加規(guī)定的偏置電力。然后，從氣體導(dǎo)入口62向處理容器14內(nèi)供給等離子體氣體、例如Ar氣。
在成膜工序中，將偏置電力設(shè)定在圖3中的區(qū)域A2內(nèi)。例如，為了使晶片表面的成膜速率大致為“零”，將偏置電力設(shè)定為與圖3中的點(diǎn)X1、或比點(diǎn)X1稍低的區(qū)域A3對(duì)應(yīng)的值，進(jìn)行金屬膜(Cu膜)的成膜。具體地說(shuō)，偏置電力為320～350W。從氣體導(dǎo)入口62僅供給Ar氣。由此，如圖4(B)所示，在晶片表面上，金屬膜幾乎沒有沉積，而在凹部2的側(cè)面和底面上，大致均勻地沉積有由Cu膜構(gòu)成的金屬膜6。
當(dāng)維持上述偏置電力繼續(xù)進(jìn)行成膜處理時(shí)，如圖4(C)～4(F)所示，在晶片表面上，金屬膜實(shí)質(zhì)上不生長(zhǎng)，或者維持著金屬膜6以非常低的成膜速率生長(zhǎng)的狀態(tài)，另一方面，在凹部2的側(cè)面上，金屬膜6維持其膜厚的均勻性而緩慢地生長(zhǎng)，同時(shí)，金屬膜6也從凹部2的底部緩慢地生長(zhǎng)，由此，凹部2被金屬填充，而不會(huì)生成空隙。
其理由說(shuō)明如下。即，通過(guò)像上述那樣設(shè)定偏置電力，在與金屬離子的引入方向垂直的晶片表面上，金屬沉積速率與濺射蝕刻速率大致均衡，因此，從結(jié)果來(lái)看，金屬膜的成膜速率大致為“零”或變得非常小。另外，在凹部2的寬度或直徑為幾百nm以下的非常微小的情況下，在凹部2的底部因?yàn)R射而飛散的飛散金屬70附著在凹部2底部的側(cè)面上。因此，金屬膜6附著在用現(xiàn)有方法難以使金屬膜附著的凹部2底部的側(cè)面上，從而能夠使凹部2側(cè)面的膜厚在深度方向上均勻。
另外，在凹部2內(nèi)的底部側(cè)面上附著的金屬膜6向凹部2的中央部突出，因此金屬膜6也漸漸沉積在底部上，由此凹部2內(nèi)也從底部側(cè)被填充。另外，在凹部2的開口部沒有產(chǎn)生外伸部分8(參照?qǐng)D8)的理由，也是因?yàn)槌练e和蝕刻互相抵消。
在上述那樣的金屬沉積速率和濺射蝕刻速率大致均衡的成膜處理中，重要的是從金屬靶濺射出的金屬在通過(guò)等離子體中時(shí)，幾乎全部(95％以上，優(yōu)選99％以上)被離子化而成為金屬離子，在到達(dá)晶片S時(shí)，實(shí)質(zhì)上不包含中性金屬原子。因此，只要提高向等離子體發(fā)生裝置46的感應(yīng)線圈部48施加的高頻電力即可(5000～6000W)。
如果成膜種含有中性金屬原子，則即使能夠使晶片表面的成膜速率為零，在凹部2的底部，蝕刻速率也大于金屬沉積速率，結(jié)果，作為基底膜的阻擋層4受到損傷，因此不優(yōu)選。此時(shí)蝕刻占優(yōu)勢(shì)的理由是因?yàn)殡m然中性金屬原子能夠到達(dá)晶片表面而有助于沉積，但中性金屬原子因?yàn)榇怪毙缘?，所以無(wú)法到達(dá)凹部2的底部，在凹部2的底部，產(chǎn)生濺射的離子(Ar離子)的量多于金屬原子的量。在此，為了使說(shuō)明簡(jiǎn)化，假定1個(gè)等離子體的離子使1個(gè)已經(jīng)成膜的金屬原子(或金屬離子)飛出(被濺射)。
另外，在本發(fā)明的成膜方法中，使金屬膜沉積在凹部2的側(cè)面上，因此，優(yōu)選金屬離子相對(duì)于晶片的垂直性低到某個(gè)程度。因此，與現(xiàn)有的成膜方法相比，將處理容器14內(nèi)的壓力維持得較高而使其為低真空狀態(tài)(1～100mTorr、更優(yōu)選為3～10mTorr)，使金屬離子的平均自由程縮短。由此，金屬離子與等離子體的離子碰撞的次數(shù)增加，從而能夠降低其相對(duì)于晶片的垂直性。
關(guān)于這一點(diǎn)，參照?qǐng)D5進(jìn)行說(shuō)明。圖5是表示不同的偏置電力和處理壓力下的金屬離子的垂直性的圖。在圖5中，用A、B和C表示的各橢圓，表示在晶片表面在每單位面積上沉積的金屬離子的量與其入射角的關(guān)系。即，當(dāng)從原點(diǎn)O向各橢圓引直線時(shí)，從原點(diǎn)O到其交點(diǎn)的長(zhǎng)度為金屬離子的量，與X軸所成的夾角為入射角。
但是，在此要注意的是，金屬離子相對(duì)于晶片表面垂直入射時(shí)的入射角為0度。在此，例如，橢圓A對(duì)應(yīng)于以與圖3的區(qū)域A1對(duì)應(yīng)的偏置條件進(jìn)行成膜的情況；橢圓B對(duì)應(yīng)于處理壓力為低真空并且以與區(qū)域X1對(duì)應(yīng)的偏置條件進(jìn)行成膜的情況；橢圓C對(duì)應(yīng)于處理壓力為高真空(0.5mTorr以下)并且以與區(qū)域X1對(duì)應(yīng)的偏置條件進(jìn)行成膜的情況。另外，直線L1、L2，如一并記載在圖5的下部那樣，表示以能夠到達(dá)凹部2底部的金屬離子的入射角的最大值即臨界角θ向晶片入射的金屬離子。
在圖5中，以小于臨界角θ的角度向晶片S入射的金屬離子，在凹部的側(cè)面和底面上沉積。以大于臨界角θ的角度向晶片S入射的金屬離子，僅在凹部的側(cè)面上沉積，入射角越大越優(yōu)先沉積在凹部側(cè)面的上側(cè)。因此，為了在整個(gè)凹部側(cè)面上高效率地成膜，與使用具有由橢圓C表示的垂直性的金屬離子進(jìn)行成膜相比，優(yōu)選使用具有由橢圓A表示的垂直性的金屬離子進(jìn)行成膜，更優(yōu)選使用具有由橢圓B表示的垂直性的金屬離子進(jìn)行成膜。這是因?yàn)?，以臨界角θ附近的入射角向晶片S入射的金屬離子的量越多越優(yōu)選。
優(yōu)選不使偏置電力過(guò)大，使得由TaN/Ta膜構(gòu)成的阻擋層4不會(huì)因等離子體中的離子(Ar離子)的濺射而受到損傷。
優(yōu)選安裝有銅金屬靶的等離子體成膜裝置12通過(guò)能夠抽真空的傳遞腔室與安裝有鉭金屬靶的另一個(gè)等離子體成膜裝置(阻擋層成膜用裝置)連接。由此，在阻擋層4成膜后，不用將半導(dǎo)體晶片S暴露于大氣就能夠?qū)⑵浒崛氲入x子體成膜裝置12。
再次參照?qǐng)D4，當(dāng)銅的沉積進(jìn)行下去時(shí)，如圖4(F)所示，在填充在凹部2中的銅(金屬膜6)的上面中央部稍微殘留有凹陷72的狀態(tài)下，銅填滿凹部2內(nèi)的大致整個(gè)區(qū)域。在該狀態(tài)下結(jié)束成膜處理。
接著，從等離子體成膜裝置12中取出晶片S。然后，對(duì)成膜處理后的晶片S實(shí)施鍍層處理，如圖4(G)所示，在晶片S的整個(gè)上面上形成由與金屬膜6同種的金屬構(gòu)成的金屬膜74(在該情況下為銅膜)，使得完全填滿凹陷72。凹陷72比在圖8的現(xiàn)有例中作為鍍層處理的填充對(duì)象的凹部2淺得多，因此，能夠通過(guò)簡(jiǎn)易的鍍層處理、例如使用的添加劑種類較少的2元系鍍層處理進(jìn)行填充，而不需要進(jìn)行3元系鍍層那樣特殊的鍍層處理。
另外，如圖4(G)所示，利用鍍層處理形成的金屬膜74的厚度H2比圖8(C)所示的金屬膜8的厚度H1薄得多，因此，能夠在短時(shí)間內(nèi)簡(jiǎn)單地進(jìn)行用于除去多余的膜的拋光處理。
上述第一實(shí)施方式，在凹部2的寬度(槽的情況下)或直徑(孔的情況下)的尺寸為幾百nm以下的非常微小的情況下有效。然而，當(dāng)凹部的寬度或直徑遠(yuǎn)大于此的情況下、例如達(dá)到20～100μm左右的情況下，通過(guò)將根據(jù)上述第一實(shí)施方式的成膜條件進(jìn)行的成膜和根據(jù)其他成膜條件進(jìn)行的成膜組合，可以有效地向凹部?jī)?nèi)填充金屬。下面說(shuō)明本發(fā)明方法的第二實(shí)施方式。圖6是用于說(shuō)明本發(fā)明方法的第二實(shí)施方式的各工序的部分放大截面圖，圖7是用于說(shuō)明利用本發(fā)明方法的第二實(shí)施方式進(jìn)行處理后的被處理體的用途的說(shuō)明圖。
如圖7所示，被處理體S2例如由硅基板等半導(dǎo)體晶片、或聚酰亞胺樹脂等高分子樹脂形成。被處理體S2例如是在將IC芯片80彼此疊層接合時(shí)插入芯片之間、用于實(shí)現(xiàn)兩IC芯片80間的導(dǎo)通等的內(nèi)插器84的基板。在被處理體S2上形成有寬度或直徑較大的多個(gè)凹部82，該凹部82被金屬例如銅填充。該凹部82的深寬比例如為5以上，非常大。在圖6所示的一系列處理完成之后，被處理體S2在凹部82的底部側(cè)被切斷，成為圖7所示的狀態(tài)。另外，在圖6中，省略了阻擋層的記載。
凹部82的寬度或直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第一實(shí)施方式中的凹部2，因此，在成膜速率較小的第一實(shí)施方式的處理?xiàng)l件下，凹部82的填充需要較長(zhǎng)時(shí)間，不具有實(shí)用性。因此，在第二實(shí)施方式中，為了在包括凹部82側(cè)面的內(nèi)面上形成作為種子膜的金屬膜、例如銅膜，將在上述第一實(shí)施方式中使用的處理?xiàng)l件(偏置電力)與現(xiàn)有方法的處理?xiàng)l件(偏置電力)組合。
如圖6(A)所示，首先，在此，作為第一成膜工序，利用與現(xiàn)有的等離子體濺射成膜方法同樣的處理?xiàng)l件，形成由銅膜構(gòu)成的金屬膜6A作為種子膜。此時(shí)，偏置電力被設(shè)定為與圖3中的區(qū)域A1對(duì)應(yīng)的值。即，偏置電力被設(shè)定為使得在被處理體表面，金屬沉積速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于濺射蝕刻速率。在這種情況下，如以前參照?qǐng)D8(B)所說(shuō)明的那樣，金屬膜6A沉積在凹部82的底面上，凹部82側(cè)面的下部區(qū)域B1幾乎沒有金屬膜附著。
當(dāng)?shù)谝怀赡すば蜻M(jìn)行規(guī)定時(shí)間以后，接著，如圖6(B)所示，進(jìn)行第二成膜工序。在該第二成膜工序中，采用與先前的第一實(shí)施方式同樣的處理?xiàng)l件(偏置電力)。即，在該第二成膜工序中，偏置電力被設(shè)定在圖3中的區(qū)域A2內(nèi)，例如被設(shè)定在區(qū)域A3或與點(diǎn)X1對(duì)應(yīng)的值，換句話說(shuō)，偏置電力被設(shè)定為使得在被處理體表面，金屬沉積速率與濺射蝕刻速率大致均衡。
于是，如以前參照?qǐng)D4所說(shuō)明的那樣，在凹部82的內(nèi)面上沉積由銅膜構(gòu)成的金屬膜6B作為種子膜。此時(shí)，在先前的第一成膜工序中沉積在凹部82內(nèi)的底部的金屬膜6A被等離子體的離子撞擊而飛散，該飛散金屬70附著并沉積在很近的側(cè)方的區(qū)域B1上。因此，通過(guò)進(jìn)行該第二成膜工序，在凹部82內(nèi)的整個(gè)側(cè)面上，沉積有薄金屬膜6A、6B。通過(guò)各進(jìn)行1次的第一和第二成膜工序而在凹部82內(nèi)的側(cè)面上成膜的金屬膜6A、6B非常薄，因此，為了使該膜厚增加，交替地多次重復(fù)進(jìn)行上述第一和第二成膜工序(圖6(C)和圖6(D))。在圖示的例子中，第一成膜工序進(jìn)行了3次，第二成膜工序進(jìn)行了2次，但是各成膜工序的次數(shù)并不限定于此，可以考慮生產(chǎn)量而決定。
第二成膜工序利用濺射撞擊凹部82底面上的金屬膜以使其飛散，因此，在第二成膜工序之后，有可能成為在凹部82的底面上幾乎沒有金屬膜沉積的狀態(tài)。因此，重復(fù)交替進(jìn)行的成膜工序，如圖6(E)所示，以第一成膜工序結(jié)束。
等離子體濺射成膜處理結(jié)束后，接著如圖6(F)所示進(jìn)行鍍層處理，向凹部82內(nèi)填充銅膜等金屬膜8。而且，在圖6(E)中，凹部82的開口部看起來(lái)很窄，但實(shí)際上，開口尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在凹部82內(nèi)面上形成的金屬膜的膜厚，因此在利用鍍層填充凹部82時(shí)不會(huì)產(chǎn)生空隙。
對(duì)于凹部82的填充結(jié)束之后的被處理體S2，利用拋光將位于其上面的不需要的金屬膜除去。接著，利用包括凹部82底面的截面，將被處理體S2切斷。由此，能夠形成圖7所示的內(nèi)插器84。而且，可以在內(nèi)插器84的表面上形成配線用的槽，并使用上述的成膜方法向該槽內(nèi)填充金屬。
被處理體S2并不限于內(nèi)插器84用的基板。例如，在被處理體的上面上形成螺旋狀的槽(凹部)，使用上述的第一實(shí)施方式或第二實(shí)施方式的成膜方法向上述槽中填充金屬，由此也能夠形成感應(yīng)線圈。
此外，上述各實(shí)施方式中的各數(shù)值僅是一個(gè)例子，當(dāng)然不限于這些。另外，在上述實(shí)施方式中，填充材料為銅，但并不限于此，能夠使用例如Al、W、Ti、Ru、Ta等其他金屬作為填充材料。
另外，各高頻電源的頻率也不限定于13.56MHz，也可以使用其他的頻率，例如27.0MHz。并且，作為等離子體用的不活潑氣體，不限定于Ar氣，也可以使用其他的不活潑氣體，例如He、Ne等。并且，被處理體不限于半導(dǎo)體晶片，也可以是LCD基板、玻璃基板等。
權(quán)利要求
1.一種成膜方法，其特征在于，包括將具有表面和在該表面開口的凹部的被處理體載置在配置于真空處理容器內(nèi)的載置臺(tái)上的工序；在所述真空處理容器內(nèi)產(chǎn)生等離子體，并利用所述等離子體濺射在所述真空處理容器內(nèi)配置的金屬靶，產(chǎn)生金屬離子的工序；和向所述載置臺(tái)施加偏置電力并將所述金屬離子引入到所述凹部?jī)?nèi)，使其沉積在所述凹部，由此向所述凹部填充金屬的工序，所述偏置電力，其大小使得在所述被處理體的所述表面，因所述金屬離子的引入而產(chǎn)生的金屬沉積的沉積速率和由所述等離子體產(chǎn)生的濺射蝕刻的蝕刻速率大致均衡。
2.如權(quán)利要求1所述的成膜方法，其特征在于向所述凹部填充金屬之后，進(jìn)行鍍層處理。
3.如權(quán)利要求2所述的成膜方法，其特征在于在所述鍍層處理后，實(shí)施對(duì)表面進(jìn)行拋光使表面平坦化的拋光處理。
4.如權(quán)利要求1所述的成膜方法，其特征在于所述凹部的寬度或直徑為100nm以下，深寬比為3以上。
5.如權(quán)利要求1所述的成膜方法，其特征在于所述金屬由銅、鋁、鎢中的任一種構(gòu)成。
6.一種成膜方法，其特征在于，包括將具有表面和在該表面開口的凹部的被處理體載置在配置于真空處理容器內(nèi)的載置臺(tái)上的工序；第一成膜工序，包括在所述真空處理容器內(nèi)產(chǎn)生等離子體，并利用所述等離子體濺射在所述真空處理容器內(nèi)配置的金屬靶，產(chǎn)生金屬離子的工序，以及向所述載置臺(tái)施加偏置電力并將所述金屬離子引入到所述凹部?jī)?nèi)，使其在所述凹部沉積，由此向所述凹部填充金屬的工序；和第二成膜工序，包括在所述真空處理容器內(nèi)產(chǎn)生等離子體，并利用所述等離子體濺射在所述真空處理容器內(nèi)配置的金屬靶，產(chǎn)生金屬離子的工序，以及向所述載置臺(tái)施加偏置電力并將所述金屬離子引入到所述凹部?jī)?nèi)，使其在所述凹部沉積，由此向所述凹部填充金屬的工序，其中，多次交替重復(fù)進(jìn)行所述第一成膜工序和所述第二成膜工序，所述第一成膜工序中的所述偏置電力，其大小使得在所述被處理體的所述表面，因所述金屬離子的引入而產(chǎn)生的金屬沉積的沉積速率遠(yuǎn)大于由所述等離子體產(chǎn)生的濺射蝕刻的蝕刻速率，所述第二成膜工序中的所述偏置電力，其大小使得在所述被處理體的所述表面，因所述金屬離子的引入而產(chǎn)生的金屬沉積的沉積速率和由所述等離子體產(chǎn)生的濺射蝕刻的蝕刻速率大致均衡。
7.如權(quán)利要求6所述的成膜方法，其特征在于重復(fù)進(jìn)行的成膜工序，以所述第一成膜工序結(jié)束。
8.如權(quán)利要求6所述的成膜方法，其特征在于多次重復(fù)進(jìn)行所述第一及第二成膜工序之后，進(jìn)行鍍層處理。
9.如權(quán)利要求8所述的成膜方法，其特征在于在所述鍍層處理之后，實(shí)施對(duì)表面進(jìn)行拋光使表面平坦化的拋光處理。
10.如權(quán)利要求6所述的成膜方法，其特征在于所述被處理體是用于將IC芯片彼此結(jié)合的內(nèi)插器的基板。
11.如權(quán)利要求6所述的成膜方法，其特征在于利用填充在所述被處理體的凹部的金屬膜形成感應(yīng)線圈。
12.如權(quán)利要求6所述的成膜方法，其特征在于所述金屬由銅、鋁、鎢中的任一種構(gòu)成。
13.一種等離子體成膜裝置，其特征在于，包括能夠抽真空的處理容器；用于載置具有表面和在該表面開口的凹部的被處理體的載置臺(tái)；向所述處理容器內(nèi)導(dǎo)入規(guī)定氣體的氣體導(dǎo)入單元；用于在所述處理容器內(nèi)產(chǎn)生等離子體的等離子體發(fā)生裝置；設(shè)置在所述處理容器內(nèi)，用于被所述等離子體離子化的金屬靶；向所述載置臺(tái)供給規(guī)定的偏置電力的偏置電源；和控制所述偏置電源的偏置電源控制部，其中，所述偏置電源控制部，將從所述偏置電源輸出的偏置電力的大小控制為使得在所述被處理體的所述表面，因所述金屬離子的引入而產(chǎn)生的金屬沉積的沉積速率和由所述等離子體產(chǎn)生的濺射蝕刻的蝕刻速率大致均衡。
14.一種等離子體成膜裝置，其特征在于，包括能夠抽真空的處理容器；用于載置具有表面和在該表面開口的凹部的被處理體的載置臺(tái)；向所述處理容器內(nèi)導(dǎo)入規(guī)定氣體的氣體導(dǎo)入單元；用于在所述處理容器內(nèi)產(chǎn)生等離子體的等離子體發(fā)生裝置；設(shè)置在所述處理容器內(nèi)，用于被所述等離子體離子化的金屬靶；向所述載置臺(tái)供給規(guī)定的偏置電力的偏置電源；控制所述偏置電源的偏置電源控制部；以及裝置控制部，該裝置控制部控制裝置整體，使其運(yùn)行下述工序使導(dǎo)入到所述處理容器內(nèi)的氣體等離子體化，并利用該等離子體使所述金屬靶離子化，形成金屬離子的工序；以及施加使得因所述金屬離子的引入而產(chǎn)生的金屬沉積的沉積速率和由所述等離子體產(chǎn)生的濺射蝕刻的蝕刻速率達(dá)到大致均衡的狀態(tài)的偏置電壓，使金屬膜沉積以填充所述凹部的工序。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用等離子體使金屬靶(56)離子化，產(chǎn)生金屬離子，利用偏置電力將金屬離子引入到在處理容器內(nèi)的載置臺(tái)(20)上載置的被處理體(S)，使金屬膜(74)沉積在形成有凹部(2)的被處理體上以填充凹部的方法。設(shè)定偏置電力，使得在被處理體表面，因金屬離子的引入而產(chǎn)生的金屬沉積速率和等離子體濺射蝕刻的蝕刻速率大致均衡。由此，能夠向被處理體的凹部填充金屬，而不會(huì)產(chǎn)生空隙等缺陷。
文檔編號(hào)H01L21/3205GK101044259SQ20058003590
公開日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)明者鈴木健二, 池田太郎, 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